3. Учебно-методическое и информационное обеспечение учебной дисциплины
а) основная литература:
1. Казаринов Л.С., Шнайдер Д.А., Барбасова Т.А. Автоматизированные информационно-управляющие системы: учебное пособие. Челябинск: Изд-во ЮУрГУ, 2008. – 320 с.
2. Федоров Ю.Н. Справочник инженера по АСУТП: проектирование и разработка. Учебно-практическое пособие. М.: Инфра-Инженерия, 2008. – 928 с.
3. Рачков М.Ю. Технические средства автоматизации: Учебник / М.Ю. Рачков. – 2-е изд., стереотип. – М.: МГИУ, 2007. – 185 с.
4. Иванова Г.М., Кузнецов Н.Д., Чистяков В.С. Теплотехнические измерения и приборы: учебник. – 3-е изд. – М.: МЭИ, 2007. – 460 с.
5. Плетнев Г.П. Автоматизация технологических процессов и производств в теплоэнергетике: учебник для вузов / Г.П. Плетнев. – 3-е изд., перераб. и доп. – М.: Издательство МЭИ, 2005. – 352 с.
б) дополнительная литература:
6. Деменков Н.П. Программные средства оптимизации и настройки систем управления. М.:Изд. МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2006 г., – 242с.
7. Таланов В.Д. Технические средства автоматизации. Под ред. А.С. Клюева. Изд. 2-е перераб. и доп. - М.: Фирма “Испо-Сервис”, 2002. - 248с.: ил.
8. Петров С.Ю., Власов Н.О. и др. Регистрирующие приборы, программируемые контроллеры, датчики: Спр. пособие// Под ред. С.Ю. Петрова. СПб: НПК «Оазис», 2000.
9. Лазарева Т.Я., Мартемьянов Ю.Ф., Схиртладзе А.Г. Интегрированные системы проектирования и управления. Структура и состав: Учеб. пособие. М.: «Издательство Машиностроение-1», 2006. – 172 с.
10. Конюх В.Л. Основы робототехники / В.Л. Конюх. Ростов н/Д.: Феникс, 2008. – 281 с.
11. Плетнев Г.П. Автоматическое управление и защита теплоэнергетических установок электростанций / Г.П. Плетнев. – 3-е изд. перераб. – М.: Энергоатомиздат, 1986. – 344 с.
в) программное обеспечение и Интернет-ресурсы:
12. SCADA-система TRACE MODE.
4. Методические указания к самостоятельному изучению дисциплины «средства автоматизации и управления»
Освоение студентом заочного обучения дисциплины «Средства автоматизации и управления» предусматривает следующие составляющие: самостоятельное изучение разделов и тем дисциплины по учебникам и учебным пособиям с последующим самоконтролем; индивидуальные консультации (очные и письменные); посещение лекций; выполнение контрольной работы; сдача экзамена по дисциплине.
Тема 1. Общие сведения о средствах автоматизации и управления производственными системами
Изучение материала
[2-5]
Автоматизация производственных процессов – один из основных способов повышения производительности труда, эффективности производства и качества продукции. С усложнением производства, агрегатов и машин возникла необходимость в автоматизации не отдельных операций, а всего технологического процесса в целом, как единой системы.
Рис. 1.1. Пример структуры АСУ.
Основные задачи САиУ: обработка информации по технологическим и технико-экономическим критериям, согласование отдельных этапов процесса, формирование управляющих воздействий, оптимизация технико-экономических критериев с учетом ограничений; контроль безаварийности хода процесса.
Современная АСУ ТП (автоматизированная система управления технологическим процессом) представляет собой многоуровневую человеко-машинную систему управления.
Упрощенная структура АСУ представлена на рис. 1.1, в зависимости от производства, от целей автоматизации структура АСУ может включать подсистемы – РСУ (распределенная система управления) и ПАЗ (противоаварийная защита), различные дополнительные уровни и элементы.
Основными видами устройств в схемах автоматизации являются:
датчики. Современные датчики могут включать следующие составляющие – измерительный преобразователь (преобразует физическую величину в электрическую), преобразователь в унифицированный сигнал (опционально), индикатор (опционально), микропроцессорную составляющую (опционально).
Датчик, сенсор (от англ. sensor) – термин систем управления, первичный преобразователь, элемент измерительного, сигнального, регулирующего или управляющего устройства системы, преобразующий контролируемую величину в удобный для использования сигнал.
управляющие устройства. В зависимости от задачи автоматизации, УУ может быть регулятор, микроконтроллер, контроллер.
Регулятор – в теории управления устройство, которое следит за работой объекта управления как системы и вырабатывает для неё управляющие сигналы. Регуляторы следят за изменением некоторых параметров объекта управления (непосредственно, либо с помощью наблюдателей) и реагируют на их изменение с помощью некоторых алгоритмов управления в соответствии с заданным качеством управления.
исполнительные устройства.
Исполнительное устройство – в кибернетике подсистема, передающая воздействие с управляющего устройства на объект управления. Управляющим устройством может быть человек, робот, регулятор или любая другая динамическая система. Входные и выходные сигналы исполнительных устройств, а также их методы воздействия на объект управления могут иметь различную природу.
Распределённая система управления (англ. Distributed Control System, DCS) – система управления технологическим процессом, характеризующаяся построением распределённой системы ввода вывода и децентрализацией обработки данных.
ПАЗ – система безопасности технологического процесса, простроенная на средствах измерения, вычислительной техники, исполнительных механизмах. ПАЗ является частью АСУ ТП. Физически состоит из датчиков, логических элементов, исполнительных механизмов, контроллеров. ПАЗ предназначена для перевода процесса в безопасное состояние при возникновении нарушений предопределенных условий.
Измерение физической величины – совокупность операций по применению технических средств, хранящих единицу физической величины, обеспечивающая нахождение соотношения измеряемой величины с ее единицей и получение значения этой величины
Принцип измерения – научно описанное явление (или эффект), положенное в основу метода измерения. Например, при измерении температуры – термоэлектрический эффект.
Метод измерения – логическая последовательность операций, описанная в общем виде и применяемая для сравнения конкретного проявления свойства объекта со шкалой измерений этого свойства.
Мерой несовершенства измерения является погрешность его результата, которая количественно оценивается отклонением результата измерения величины от ее истинного (действительного) значения.
По способу выражения различают абсолютную и относительную погрешности. Абсолютная погрешность определяется как алгебраическая разность между измеренным и истинным (действительным) значением величины
Относительная погрешность равна отношению абсолютной погрешности измерения к истинному значению величины
Абсолютная погрешность имеет размерность измеряемой величины, относительная погрешность безразмерна.
Средство измерений – обобщающее понятие, охватывающее объекты, предназначенные для выполнения измерений, имеющие нормированные метрологические характеристики, воспроизводящие и хранящие участок шкалы или единицу величины, размер которой принимается неизменным (в пределах установленной погрешности) в течение известного интервала времени. Средство измерений реализует одну из двух функций: воспроизводит величину заданного размера или вырабатывает сигнал, несущий информацию о значении измеряемой величины.
Самыми распространенными средствами измерений являются измерительные приборы, предназначенные для получения значений измеряемой величины в установленном диапазоне ее изменения и выработки сигнала измерительной информации.
Измерительный преобразователь – техническое средство, предназначенное для преобразования информации об измеряемой величине в сигнал измерительной информации, удобный для обработки, хранения, дальнейшего преобразования, индикации или передачи (по не поддающийся непосредственному восприятию) и имеющий нормированные метрологические характеристики. Преобразуемая величина называется входной, а результат преобразования – выходной величиной. Соотношение между ними задается функцией преобразования ИП (его статической характеристикой). Выходная величина, как правило, недоступна для непосредственного восприятия наблюдателем. К измерительным преобразователям относят термопары, измерительные трансформаторы тока, измерительные усилители и другие устройства.
Поверка средства измерений – это совокупность операций, выполняемых с целью определения и подтверждения соответствия СИ установленным техническим требованиям.
Калибровка – совокупность операций, устанавливающих соотношение между значением величины, полученным с помощью данного СИ, и соответствующим значением величины, определенным с помощью рабочего эталона.
Одним из вариантов поверки (или калибровки) является градуировка – экспериментальное определение градуировочной характеристики СИ, т. е. установление соответствия между входным сигналом измерительной информации и показанием прибора. При градуировке либо размечается шкала показаний прибора, либо определяются поправки к каждому делению шкалы
Государственная система промышленных приборов и средств автоматизации, совокупность устройств получения, передачи, хранения, обработки и представления информации о состоянии и ходе различных процессов и выработки управляющих воздействий на них. ГСП состоит из унифицированных элементов, модулей и блоков, допускающих информационное, энергетическое и конструктивное сопряжение в агрегатных комплексах и автоматизированных системах управления. В ГСП входят электрические, пневматические и гидравлические приборы и устройства в обыкновенном, виброустойчивом, герметичном, пыле- и влагозащищённом исполнении.
Устройства ГСП взаимодействуют посредством нормированных электрических, пневматических, гидравлических, механических, акустических и оптических сигналов. По виду сигналов устройства ГСП делятся на аналоговые и дискретные. Устройства ГСП имеют нормированные источники питания. Этим достигается высокая взаимозаменяемость изделий ГСП. Унификация конструкций ГСП повышает технологичность изделий в производстве, упрощает их комплектацию, монтаж, наладку и эксплуатацию.
Унификация – сопутствующий агрегатированию метод стандартизации, также направленный на упорядочение и разумное сокращение состава серийно изготовляемых средств автоматизации. Она направлена на ограничение многообразия параметров и технических характеристик, принципов действия и схем, а также конструктивных особенностей исполнения средств автоматизации.
Сигналы – носители информации в средствах автоматизации могут различаться как по физической природе и параметрам, так и по форме представления информации. В рамках ГСП применяются в серийном производстве средств автоматизации следующие типы сигналов:
- электрический сигнал (напряжение, сила или частота электрического тока);
- пневматический сигнал (давление сжатого воздуха);
- гидравлический сигнал (давление или перепад давлений жидкости).
Соответственно в рамках ГСП формируются электрическая, пневматическая и гидравлическая ветви средств автоматизации.
По принципу действия датчики можно разделить на два класса: генераторные и параметрические (датчики-модуляторы). Генераторные датчики осуществляют непосредственное преобразование входной величины в электрический сигнал. Параметрические датчики входную величину преобразуют в изменение какого-либо электрического параметра (R, L или C) датчика.
Параметрические датчики (датчики-модуляторы) входную величину X преобразуют в изменение какого-либо электрического параметра (R, L или C) датчика. Передать на расстояние изменение перечисленных параметров датчика без энергонесущего сигнала (напряжения или тока) невозможно. Выявить изменение соответствующего параметра датчика только и можно по реакции датчика на ток или напряжение, поскольку перечисленные параметры и характеризуют эту реакцию. Поэтому параметрические датчики требуют применения специальных измерительных цепей с питанием постоянным или переменным током.
Генераторные датчики осуществляют непосредственное преобразование входной величины X в электрический сигнал. Такие датчики преобразуют энергию источника входной (измеряемой) величины сразу в электрический сигнал, т.е. они являются как бы генераторами электроэнергии (откуда и название таких датчиков - они генерируют электрический сигнал).
Дополнительные источники электроэнергии для работы таких датчиков принципиально не требуются (тем не менее дополнительная электроэнергия может потребоваться для усиления выходного сигнала датчика, его преобразования в другие виды сигналов и других целей). Генераторными являются термоэлектрические, пьезоэлектрические, индукционные, фотоэлектрические и многие другие типы датчиков.
Исполнительное устройство (ИУ) – это силовое устройство, предназначенное для изменения регулирующего воздействия на объект управления в соответствии с сигналом управления, поступающим на его вход от командного устройства (блока ручного управления, регулятора, контроллера, управляющей ЭВМ). Исполнительное устройство в общем случае состоит из двух основных частей: исполнительного механизма (ИМ) и регулирующего органа (РО).
Исполнительный механизм преобразует входную командную информацию в определенное силовое воздействие на регулирующий орган объекта управления или на сам объект управления.
Регулирующий орган производит непосредственное регулирующее воздействие на объект управления. Изменение положения регулирующего органа вызывает изменение потока энергии или материала, поступающих на объект, и тем самым воздействует на рабочие машины, механизмы и технологические процессы, устраняя отклонения регулируемой величины от заданного значения. Исполнительный механизм не только изменяет состояние управляемого объекта, но и перемещает регулирующий орган в соответствии с заданным законом регулирования при минимально возможных отклонениях.
Устройство, преобразующее управляющий сигнал регулятора или контроллера в перемещение регулирующего органа (РО), называют исполнительным механизмом (ИМ). Такое устройство обычно состоит из исполнительного двигателя, передаточного или преобразующего узла (например, редуктора), а также систем защиты, контроля и сигнализации положения выходного элемента, блокировки и отключения. РО предназначен для непосредственного воздействия на объект управления путем изменения материальных или энергетических потоков, таким образом, ИМ является приводом РО. Поэтому ИМ называют еще сервоприводом.
Классификация исполнительных механизмов (рис. 3.2) производится в первую очередь по виду энергии, создающей усилие (момент) перемещения регулирующего органа. Соответственно, ИМ бывают пневматические, гидравлические и электрические.
Автоматический регулятор (АР) – это средство автоматизации, получающее, усиливающее и преобразующее сигнал отклонения регулируемой величины и целенаправленно воздействующее на объект регулирования; он обеспечивает поддержание заданного значения регулируемой величины или изменение ее значения по заданному закону. Автоматический регулятор во взаимосвязи с объектом регулирования образует автоматическую систему регулирования (АСР).
Закон регулирования непрерывных регуляторов зависит от свойств объектов регулирования (емкости, запаздывания, самовыравнивания), характера возмущений и показателей качества переходного процесса:
пропорциональный, П – закон – для одноемкостных объектов и при медленных возмущениях;
интегральный, И – закон – для объектов с большим самовыравниванием, с малым запаздыванием, при медленных возмущения;
пропорционально-интегральный, ПИ – закон – для объектов с любыми запаздываниями, емкостями, самовыравниваниями, при медленных возмущениях;
пропорционально-дифференциальный, ПД – закон – для объектов с большими запаздываниями, при быстрых, но малых возмущениях;
пропорционально-интегрально-дифференциальный, ПИД – закон – универсальный, для любых объектов и при любых возмущениях.
Рис. 1.2. Типовая структура системы PLC.
Программируемый логический контроллер (ПЛК) – микропроцессорное устройство, содержащее в составе один или несколько микропроцессоров, модули памяти, порты ввода/вывода, предназначенное для сбора данных в реальном времени о состоянии технологического процесса, получения информации с датчиков, преобразования ее и обмена с другими компонентами системы автоматизации (компьютер оператора, монитор, база данных и т.д.), а также для автоматического управления ТП, исполнительными механизмами.
Принцип работы контроллера состоит в выполнении следующего цикла операций:
1. Сбор сигналов с датчиков;
2. Обработка сигналов согласно прикладному алгоритму управления;
3. Выдача управляющих воздействий на исполнительные устройства.
Существует международный стандарт IEC 61131, разработанный Международной Электротехнической Комиссией (МЭК, IEC) и состоящий из восьми частей. Третья часть этого стандарта, IEC 61131-3, описывает языки программирования ПЛК. Первоначальной целью стандарта IEC 61131-3 была унификация языков программирования ПЛК и предоставление разработчикам ряда аппаратно-независимых языков, что, по замыслу создателей стандарта, обеспечило бы простую переносимость программ между различными аппаратными платформами и снимало бы необходимость изучения новых языков и средств программирования при переходе разработчика на новый ПЛК.
Язык FBD
Язык FBD (Functional Block Diagram, Диаграмма Функциональных Блоков) является языком графического программирования, так же, как и LD, использующий аналогию с электрической (электронной) схемой. Программа на языке FBD представляет собой совокупность функциональных блоков (functional flocks, FBs), входа и выхода которых соединены линиями связи (connections). Эти связи, соединяющие выхода одних блоков с входами других, являются по сути дела переменными программы и служат для пересылки данных между блоками. Каждый блок представляет собой математическую операцию (сложение, умножение, триггер, логическое “или” и т.д.) и может иметь, в общем случае, произвольное количество входов и выходов. Начальные значения переменных задаются с помощью специальных блоков – входов или констант, выходные цепи могут быть связаны либо с физическими выходами контроллера, либо с глобальными переменными программы. Пример фрагмента программы на языке FBD приведен на рис. 1.3.
Практика показывает, что FBD является наиболее распространенным языком стандарта IEC. Графическая форма представления алгоритма, простота в использовании, повторное использование функциональных диаграмм и библиотеки функциональных блоков делают язык FBD незаменимым при разработке программного обеспечения ПЛК.
Рис. 1.3. Функциональная схема FBD.
Пример 1.1. Необходимо изобразить программу в языке FBD равномерного постоянного повышения значения С со скоростью А от начального значения В.
Данная программа будет иметь 2 составляющих:
1) часть, отвечающая за равномерное повышение со скоростью А (на рисунке выделена область 1) – за каждый шаг выполнения программы выходное значение будет каждый раз повышаться на число А.
2) второй блок суммы двух величин – к числу (В-А) в каждом шаге выполнения программы будет суммироваться выходная величина из области 1 (на первом шаге начальное значение С будет равно В: С=(В-А)+А=В).
В случае если A=2, В=4, то С будет принимать значения из таблицы:
1 шаг |
2 шаг |
3 шаг |
4 шаг |
… |
N шаг |
… |
4 |
6 |
8 |
10 |
… |
2+2N |
… |
Пропорционально-интегрально-дифференциальный (ПИД) регулятор – устройство в цепи обратной связи, используемое в системах автоматического управления для формирования управляющего сигнала. ПИД-регулятор формирует управляющий сигнал, являющийся суммой трёх слагаемых, первое из которых пропорционально входному сигналу, второе – интеграл входного сигнала, третье – производная входного сигнала.
Пропорциональная составляющая
Пропорциональная составляющая вырабатывает выходной сигнал, противодействующий отклонению регулируемой величины от заданного значения, наблюдаемому в данный момент времени. Он тем больше, чем больше это отклонение. Если входной сигнал равен уставке, то выходной равен нулю.
Однако при использовании только пропорционального регулятора значение регулируемой величины никогда не стабилизируется на заданном значении. Существует так называемая статическая ошибка, которая равна такому отклонению регулируемой величины, которое обеспечивает выходной сигнал, стабилизирующий выходную величину именно на этом значении. Например, в регуляторе температуры выходной сигнал (мощность нагревателя) постепенно уменьшается при приближении температуры к уставке, и система стабилизируется при мощности равной тепловым потерям. Температура не может достичь уставки, так как в этом случае мощность нагревателя станет равна нулю, и он начнёт остывать.
Чем больше коэффициент пропорциональности между входным и выходным сигналом (коэффициент усиления), тем меньше статическая ошибка, однако при слишком большом коэффициенте усиления могут начаться автоколебания, а при дальнейшем увеличении коэффициента система может потерять устойчивость.
Интегральная составляющая
Для устранения статической ошибки используют интегральную составляющую. Она позволяет регулятору «учиться» на предыдущем опыте. Если система не испытывает внешних возмущений, то через некоторое время регулируемая величина стабилизируется на заданном значении, сигнал пропорциональной составляющей будет равен нулю, а выходной сигнал будет полностью обеспечивать интегральная составляющая.
Дифференциальная составляющая
Дифференциальная составляющая противодействует предполагаемым отклонениям регулируемой величины, которые могут произойти в будущем. Эти отклонения могут быть вызваны внешними возмущениями или запаздыванием воздействия регулятора на систему. Чем быстрее регулируемая величина отклоняется от уставки, тем сильнее противодействие, создаваемое дифференциальной составляющей.
Вопросы для самопроверки
Перечислите основные задачи, решаемые САиУ.
Какова техническая структура САиУ?
Какие принципы положены в основу построения ГСП?
Каково назначение нормирующего преобразователя?
Для реализации, каких функций в САиУ предназначено УСО?
Что такое программируемые логические контроллеры?
Каковы типовые законы регулирования?
Какие типы ИМ применяются в промышленности?
Что такое мнемосхема ОУ?
Какие эргономические требования предъявляются к информации, выводимой оператору-технологу?