Технические САУ, Петухов И.В., Стешина Л.А
.pdf
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования
«МАРИЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»
И. В. ПЕТУХОВ Л. А. СТЕШИНА
ТЕХНИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА АВТОМАТИЗАЦИИ И УПРАВЛЕНИЯ
Учебное пособие
Йошкар-Ола МарГТУ
2011
УДК 681.5(07)
ББК 32.965я73
П 31
Рецензенты:
доктор технических наук, профессор Марийского государственного технического университета Р. Г. Хафизов;
кандидат педагогических наук, доцент Марийского государственного университета Р. И. Горохова
Печатается по решению редакционно-издательского совета МарГТУ
Петухов, И. В.
П 31 Технические средства автоматизации и управления: учебное пособие / И. В. Петухов, Л. А. Стешина. – Йошкар-Ола: Марийский государственный технический университет, 2011. – 316 с.
В учебном пособии изложены принципы реализации комплекса мер по автоматизации объекта управления. Представлена информация об организации информационно-измерительной и управляющей подсистем современных систем управления и автоматизации. Раскрыты вопросы интерфейсного согласования и сетевого взаимодействия, программной реализации законов управления и автоматизированного проектирования.
Для студентов специальности 220201.65 «Управление и информатика в технических системах», направления подготовки бакалавров и магистров 220400 «Управление в технических системах», изучающих дисциплину «Технические средства автоматизации и управления».
УДК 681.5(07)
ББК 32.965я73
© Петухов И.В., Стешина Л.А., 2011 © Марийский государственный технический университет, 2011
2
ОГЛАВЛЕНИЕ |
|
Список сокращений ...................................................................................... |
8 |
ПРЕДИСЛОВИЕ ......................................................................................... |
10 |
ВВЕДЕНИЕ ................................................................................................. |
12 |
1. СОВРЕМЕННЫЕ ТЕНДЕНЦИИ РАЗВИТИЯ |
|
АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ КОМПЛЕКСОВ |
|
И УПРАВЛЯЮЩИХ СИСТЕМ ................................................................. |
14 |
1.1. Понятие производственной системы ............................................. |
14 |
1.2. Эволюция автоматизированных комплексов |
|
и производственных систем................................................................... |
19 |
1.3. Гибкие автоматизированные производственные системы ........... |
23 |
1.4. Анализ технико-организационного уровня |
|
и других условий производства............................................................. |
28 |
Контрольные вопросы ................................................................................ |
30 |
2. ТЕОРИЯ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ КАК ОСНОВА |
|
ПРОЕКТИРОВАНИЯ СИСТЕМ АВТОМАТИЗАЦИИ ........................... |
31 |
2.1. Основные термины и определения ТАУ........................................ |
31 |
2.2. Классификация АСР ........................................................................ |
37 |
2.3. Классификация элементов автоматических систем...................... |
40 |
2.4. Специальные методы управления.................................................. |
41 |
2.5. Косвенный контроль ....................................................................... |
44 |
2.6. Адаптивное регулирование............................................................. |
45 |
2.7. Автоматические регуляторы с моделью в контуре |
|
управления .............................................................................................. |
46 |
2.8. Оптимальное управление ............................................................... |
48 |
Контрольные вопросы ................................................................................ |
50 |
3. СИСТЕМЫ АВТОМАТИЗАЦИИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ |
|
ПРОЦЕССОВ .............................................................................................. |
51 |
3.1. Основные требования, предъявляемые к системам |
|
автоматизации и управления технологическими объектами .............. |
51 |
3.2. Соответствие классической архитектуры компьютера |
|
требованиям систем управления ........................................................... |
54 |
3
3.3. Недостатки классической параллельной шины ............................ |
57 |
3.4. Использование локальной сети внутри контроллера |
|
вместо параллельной шины ................................................................... |
59 |
3.5. Контроллеры с последовательной шиной...................................... |
63 |
Контрольные вопросы............................................................................ |
66 |
4. СРЕДСТВА АВТОМАТИЗАЦИИ И УПРАВЛЕНИЯ. СОСТАВ. |
|
НАЗНАЧЕНИЕ ............................................................................................ |
67 |
4.1. Состав и назначение технических средств .................................... |
67 |
4.2. Структура АСУ ТП, автоматического регулирования |
|
и автоматического управления .............................................................. |
69 |
Контрольные вопросы ................................................................................ |
73 |
5. ИЗМЕРЕНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ. |
|
ГОСУДАРСТВЕННАЯ СИСТЕМА ПРИБОРОВ. ДАТЧИКИ. |
|
ПЕРВИЧНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ........................................................ |
74 |
5.1. Государственная система приборов ............................................... |
74 |
5.2. Классификация КИП ....................................................................... |
77 |
5.3. Виды первичных преобразователей ............................................... |
80 |
5.4. Современные схемы подключения датчиков и первичных |
|
преобразователей .................................................................................... |
83 |
Контрольные вопросы ................................................................................ |
85 |
6. МЕТОДЫ И ПРИБОРЫ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ, |
|
ДАВЛЕНИЯ И РАЗРЯЖЕНИЯ .................................................................. |
86 |
6.1. Методы и приборы для измерения температуры .......................... |
86 |
6.2. Методы и приборы для измерения давления и разряжения......... |
93 |
Контрольные вопросы ............................................................................. |
102 |
7. МЕТОДЫ И ПРИБОРЫ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ РАСХОДА ПАРА, |
|
ГАЗА И ЖИДКОСТИ, УРОВНЯ ВЕЩЕСТВА. ДАТЧИКИ |
|
ПОЛОЖЕНИЯ И СКОРОСТИ................................................................ |
103 |
7.1. Классификация приборов для измерения расхода пара, газа |
|
и жидкости ........................................................................................... |
103 |
7.2. Методы и приборы для измерения уровня ................................. |
113 |
7.3. Измерение положения, перемещения и скорости ...................... |
117 |
Контрольные вопросы ............................................................................. |
122 |
4
8. ТИПИЧНЫЕ СХЕМЫ ПОДКЛЮЧЕНИЯ ДАТЧИКОВ |
|
И ПЕРВИЧНЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ. НОРМАЛИЗАТОРЫ......... |
123 |
8.1. Схемы подключения..................................................................... |
123 |
8.2. Роль и место преобразователя в структуре современной |
|
системы автоматизации технологических процессов...................... |
126 |
8.3. Классификация нормирующих преобразователей ..................... |
128 |
8.4. Системы с двойным преобразованием энергии ......................... |
130 |
8.5. Системы с ШИМ-выпрямителем ................................................ |
134 |
Контрольные вопросы ............................................................................. |
136 |
9. АНАЛОГО-ЦИФРОВЫЕ И ЦИФРОАНАЛОГОВЫЕ |
|
ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ .............................................................................. |
137 |
9.1. Цифроаналоговые преобразователи............................................ |
137 |
9.2. Аналого-цифровые преобразователи .......................................... |
142 |
Контрольные вопросы ............................................................................. |
149 |
10. МИКРОПРОЦЕССОРНЫЕ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ. |
|
ЦИФРОВЫЕ СИГНАЛЬНЫЕ ПРОЦЕССОРЫ .................................... |
150 |
10.1. Программируемые логические контроллеры .......................... |
150 |
10.2. Цифровые сигнальные процессоры ......................................... |
155 |
10.3. Суперскалярные процессоры ................................................... |
165 |
10.4. Гибридные ЦСП ........................................................................ |
166 |
10.5. Программирование ЦСП .......................................................... |
167 |
Контрольные вопросы ............................................................................. |
169 |
11. КОНТРОЛЛЕРЫ. МИКРОПРОЦЕССОРНЫЕ МОДУЛИ |
|
УДАЛЕННОГО СБОРА ИНФОРМАЦИИ И УПРАВЛЕНИЯ .............. |
170 |
11.1. Выбор типа микроконтроллера................................................. |
170 |
11.2. Релейные универсальные контроллеры ................................... |
173 |
11.3. Контроллеры фирмы ADVANTACH серии ADAM-5000........ |
175 |
11.4. Контроллеры фирмы SIEMENS................................................ |
178 |
11.5. Контроллеры фирмы WAGO ..................................................... |
180 |
Контрольные вопросы ............................................................................. |
182 |
5
12. ПРИНЦИПЫ РЕАЛИЗАЦИИ СЕТЕВОГО |
|
ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ. ИНТЕРФЕЙСЫ. |
|
ПРОМЫШЛЕННЫЕ ШИНЫ ................................................................ |
183 |
12.1. Условия эксплуатации ............................................................... |
185 |
12.2. Промышленные шины, лидирующие на рынке ...................... |
186 |
12.3. Принципы построения промышленной сети .......................... |
187 |
12.4. Структура интерфейсного взаимодействия в АСУ ТП .......... |
189 |
12.5. Промышленные стандарты сетей............................................. |
191 |
12.6. Технологии беспроводной передачи данных .......................... |
199 |
Контрольные вопросы ............................................................................. |
203 |
13. ИСПОЛНИТЕЛЬНЫЕ УСТРОЙСТВА. ИСПОЛНИТЕЛЬНЫЕ |
|
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ УСТРОЙСТВА....................................................... |
204 |
13.1. Классификация исполнительных устройств........................... |
204 |
13.2. Классификация регулирующих органов ................................. |
208 |
13.3. Исполнительные устройства насосного типа ......................... |
210 |
13.4. Исполнительные устройства реологического типа ................ |
211 |
13.5. Электрические исполнительные механизмы .......................... |
212 |
Контрольные вопросы ............................................................................. |
222 |
14. ИСПОЛНИТЕЛЬНЫЕ УСТРОЙСТВА ДРОССЕЛЬНОГО |
|
ТИПА. ИСПОЛНИТЕЛЬНЫЕ МЕХАНИЗМЫ..................................... |
223 |
14.1. Исполнительные устройства дроссельного типа.................... |
223 |
14.2. Исполнительные механизмы в системах управления. |
|
Регуляторы .......................................................................................... |
224 |
Контрольные вопросы ............................................................................. |
236 |
15. ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ СХЕМЫ АВТОМАТИЗАЦИИ. |
|
УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ .............................................................. |
237 |
15.1. Понятие функциональной схемы автоматизации ................... |
237 |
15.2. Позиционные обозначения приборов и средств |
|
автоматизации..................................................................................... |
242 |
Контрольные вопросы ............................................................................. |
250 |
6
16.СИСТЕМЫ СВЯЗИ И ОТОБРАЖЕНИЯ ИНФОРМАЦИИ ............ |
251 |
16.1. Основные характеристики средств воспроизведения |
|
и отображения информации .............................................................. |
255 |
16.2. Классификация СОИ. Коллективные СОИ ............................. |
267 |
16.3. Видеопреобразователи на управляемых транспарантах |
|
с жидкими кристаллами .................................................................... |
272 |
16.4. Лазерные средства отображения информации ....................... |
275 |
16.5. Плазменные и LED дисплейные модули................................. |
281 |
Контрольные вопросы ............................................................................. |
282 |
17. ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ СИСТЕМ |
|
АВТОМАТИЗАЦИИ И УПРАВЛЕНИЯ................................................. |
283 |
17.1. Требования, предъявляемые к программному |
|
обеспечению ....................................................................................... |
283 |
17.2. Классификация программного обеспечения........................... |
285 |
17.3. SCADA-системы ....................................................................... |
288 |
17.4. Системы автоматизированного проектирования .................... |
292 |
Контрольные вопросы ............................................................................. |
298 |
18. МЕТОДЫ ПОВЫШЕНИЯ НАДЕЖНОСТИ СИСТЕМ |
|
АВТОМАТИЗАЦИИ................................................................................ |
299 |
18.1. Надежность автоматических систем........................................ |
299 |
18.2. Надежность автоматизированных систем ............................... |
304 |
18.3. Современные подходы к проектированию |
|
человеко-машинных систем управления .......................................... |
305 |
18.4. Методы повышения надёжности систем автоматизации, |
|
применяемые при проектировании................................................... |
311 |
Контрольные вопросы ............................................................................. |
313 |
ЗАКЛЮЧЕНИЕ ........................................................................................ |
314 |
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ ........................................................................ |
315 |
7
СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ
АСИО – автоматизированная система инструментального обеспече-
ния
АСНИ – автоматизированная система научных исследований АСР – автоматическая система регулирования
АСТПП – автоматизированная система технологической подготовки производства
АСУ – автоматизированная система управления АСУП – автоматизированная система управления производством
АТСС – автоматизированная транспортно-складская система АЦП – аналого-цифровые преобразователи ГАЛ – гибкая автоматизированная линия ГАУ – гибкий автоматизированный участок ГАЦ – гибкий автоматизированный цех ГПМ – гибкий производственный модуль ГПС – гибкая производственная система ГСП – государственная система приборов ГТИ – генератор тактовых импульсов ДПЭ – двойное преобразование энергии ЖК – жидкие кристаллы ИБП – источник бесперебойного питания
ИМ – исполнительный механизм ИОН – источник опорного напряжения ИУ – исполнительное устройство
КИП – контрольно-измерительные приборы КФУ – контроллер функционального узла
ЛУВС – локальные управляющие вычислительные сети ООС – отрицательная обратная связь ОС – обратная связь ОУ – объект управления
ПЗУ – постоянное запоминающее устройство ПЛК – программируемый логический контроллер ПО – программное обеспечение
8
ПОС – положительная обратная связь ППИ – полупроводниковый индикатор ПС – производственная система ПЦС – процессор цифровых сигналов РО – регулирующий орган
РТК – роботизированный технологический комплекс САиУ – средства автоматизации и управления САК – система автоматизированного контроля
САПР – система автоматизированного проектирования САР – система автоматического регулирования САУ – система автоматического управления СМП – сигнальный микропроцессор СОИ – система связи и отображения информации СЧМ – система «человек-машина» ТАУ – теория автоматического управления ТП – технологический процесс ТС – термосопротивление
ТЭДС – термоэлектродвижущая сила УВК – управляющий вычислительный комплекс УС – унифицированный сигнал УСО – устройство сопряжения с объектом УТ – управляемые транспаранты
УТС – унифицированный токовой сигнал УУ – управляющее устройство
УЧПУ – устройство числового программного управления ФУ – функциональный узел ЦАП – цифроаналоговый преобразователь
ЦСП – цифровой сигнальный процессор ЭИМ – электрический исполнительный механизм ЭЛИ – электролюминесцентный индикатор ЭО – элемент отображения ЭФИ – электрофоретический индикатор
9
ПРЕДИСЛОВИЕ
Вучебном пособии «Технические средства автоматизации и управления» изложены принципы реализации комплекса мер по автоматизации объекта управления.
Основной задачей учебного пособия является систематизация
иструктурирование знаний и умений студентов в области систем автоматизации и трансляция их в русло прикладного использования.
Вкниге 18 разделов, представляющих собой одноименные лекции.
Первые четыре раздела посвящены методической организации плана мероприятий по автоматизации. Дана классификация производственных систем, рассмотрены вопросы эволюционного развития автоматизированных комплексов, представлены основные принципы автоматического управления, требования к организации системы автоматизации технологических процессов, формализованы состав и назначение технических средств автоматизации и управления.
В5-9 разделах раскрыты вопросы организации процесса получения измерительной информации об объекте, ее нормализации
ипреобразования.
В10 и 11 разделах изложены вопросы цифровой обработки информации, описаны цифровые сигнальные процессоры, контроллеры систем автоматизации и управления, микропроцессорные модули удаленного сбора.
В12 разделе представлены принципы реализации информационного обмена, дана характеристика протоколов передачи данных, интерфейсов и типичных промышленных шин систем автоматизации.
Принципы организации исполнительной ветви системы автоматизации, исполнительные устройства и механизмы различного типа рассмотрены в разделах 13 и 14.
10