Древс Системы реалного времени технические и программные средства 2010

С точки зрения использования в системах управления лучшим является первый метод.

У машин переменного тока используется принцип вращающегося магнитного поля. Рассмотрим две катушки, оси которых сдвинуты в пространстве на π/2. Будем питать катушки синусоидальными токами, причем ток в горизонтальной катушке, создающей индукцию By, будет отставать по фазе на π/2 от тока в вертикальной катушке, создающей индукцию Bx. Амплитудные значения магнитной индукции, создаваемой катушками в центре, будут равны:

Bx = Bxmsinωt,

By = Bymsin(ωt – π/2) = –Bymcos ωt.

Угол, который вектор магнитной индукции B будет составлять

сосью x, определится выражением:

α= arctg(By/ Bx) = –arctg (σctgωt),

где σ = Bym/Bxm.

Направление вектора магнитной индукции будет непрерывно изменяться с течением времени, т.е. поле будет вращающимся. При одинаковых амплитудах токов в катушках имеем:

Bxm = Bym = Bm; σ = 1;

Bx2 = By2 = Bm2.

Получается круговое вращающееся поле, вектор магнитной индукции которого, оставаясь неизменным по величине, вращается с постоянной скоростью.

Машина переменного тока состоит из статора и ротора. Статор представляет собой полый цилиндр, составленный из листов электротехнической стали.В пазах на внутренней поверхности статора, закладывается статорная обмотка. Она выполняется так, что при включении ее в сеть переменного тока внутри цилиндра образуется магнитное поле, вращающееся вокруг оси статора с постоянной скоростью.

В асинхронной машине ротор имеет вид цилиндра, обычно набранного из круглых листов стали. У поверхности ротора вдоль его образующих расположены проводники, составляющие обмотку ротора, никак не связанную с внешней электрической цепью. Токи в обмотке ротора возникают в результате того, что ротор при вращении отстает от вращающегося поля, как бы «скользит» относительно поля. Величина этих токов определяется скоростью вращения магнитного поля относительно ротора.

211

Для оценки этой скорости вводится понятие скольжения асинхронной машины:

s = (n0–n)/n0,

где n0 – скорость вращения магнитного потока или синхронная скорость; n – скорость вращения ротора.

Поскольку условием возникновения токов в роторе является неравенство скоростей, ротор не может вращаться со скоростью, равной синхронной, чем и объясняется название асинхронная машина.

Движущий момент возникает как результат взаимодействия вращающегося магнитного потока с индуктируемым им в роторе токами. Скорость вращения магнитного поля статора (синхронная скорость) равна

n0 = 60f/p,

где f – частота переменного тока; p – число пар полюсов.

Для управления асинхронной машиной используются: 1) амплитудный метод, когда меняется амплитуда на всех фазах двигателя; 2) частотный метод, когда меняется частота питающих напряжений; 3) амплитудно-частотный метод, когда одновременно меняются амплитуда и фаза напряжений.

В синхронной машине ротор представляет собой электромагнит, обмотка которого питается постоянным током. Два конца этой обмотки выводятся на контактные кольца, укрепленные на валу машины и вращающиеся вместе с ротором. Постоянный ток подводится к ротору извне через неподвижные щетки, скользящие по контактным кольцам. Ротор вращается синхронно с вращающимся магнитным полем статора, чем и объясняется название этих машин.

Регулирование скорости возможно только частотным методом. К положительным качествам двигателей постоянного тока от-

носятся:

-возможность получения теоретически любых, сколь угодно малых и больших частот вращения;

-возможность простого, плавного, экономичного и в широком диапазоне регулирования частоты вращения;

-устойчивость работы практически при любых частотах вращения;

-линейность механических и регулировочных характеристик;

-значительный пусковой момент;

212

-сравнительно небольшая электромеханическая постоянная времени;

-малые габаритные размеры и масса.

Основным недостатком наиболее широко распространенных коллекторных исполнительных двигателей постоянного тока, ограничивающим области их применения, является наличие скользящих контактов – коллектора и щеток.

Достоинства двигателей переменного тока заключаются в том, что они экономичны, имеют простую и надежную конструкцию, простое энергопитание; у асинхронных двигателей отсутствуют вращающиеся коммутирующие элементы. Основной особенностью синхронных двигателей является постоянство частоты вращения при неизменной частоте питающей сети.

Шаговые двигатели – это электромеханические устройства, которые преобразуют электрические импульсы напряжения управления в дискретные угловые и линейные перемещения ротора с возможной его фиксацией в нужных положениях. Они относятся к синхронным двигателям; поворот их ротора на определенный угол вызывается подачей сдвинутых на определенный угол питающих напряжений на обмотки или группы обмоток. Их рабочий режим – стопорный. Обычный угловой шаг – 150 при частоте вращения от 110 до 600 шагов в секунду; некоторые современные шаговые двигатели имеют угловой шаг 30 при скорости вращения до 1000 шагов

всекунду.

Кдостоинствам шаговых двигателей относят:

-высокую точность без обратной связи, т.е. без датчика угла поворота;

-отсутствие механических вращающихся коммутирующих элементов.

Их недостатки:

-малый вращающий момент;

-ограниченная скорость;

-высокий уровень вибраций из-за скачкообразного движения;

-большие ошибки при потере импульсов в системах с разомкнутым контуром управления.

Устройство, содержащее двигатель, редуктор и элементы управления двигателем называется приводом. Структурная схема привода представлена на рис. 7.4. Двигатель Д через редуктор Р

213

перемещает регулирующий орган РО. Сигнал Uс, поступающий на вход привода, имеет обычно недостаточную мощность для управления двигателем, поэтому он предварительно усиливается усилителем У. Концевые выключатели КВ служат для ограничения перемещения РО. Оператор может устанавливать РО с помощью устройств дистанционного управления ДУ, контролируя его положение прибором П, а при неисправности ДУ – штурвалом ручного управления РУ. Датчики обратной связи по положению ОСП, выполняемые в виде потенциометров, индуктивных датчиков или линейных индукционных потенциометров, и датчики обратной связи по скорости ОСС, выполняемые в виде тахогенераторов постоянного или переменного тока, служат для ввода дополнительных сигналов, необходимых для получения требуемых характеристик от привода.

Номинальный момент М на выходном валу и время Т полного оборота выходного вала, т.е. быстродействие, являются основными характеристиками привода. Мощность Р на валу двигателя, необходимая для обеспечения заданных времени Т и момента М, определяется по формуле

Р = 61,5М/Тη,

где η – КПД редуктора.

Инерционность привода, определяемая временем от начала движения РО до установления полной скорости, зависит от соотношения между пусковым моментом двигателя и моментом инерции привода. Пусковой момент обычно в 2…2,5 раза больше номинального. Важной характеристикой привода является время запаз-

214

дывания – время от момента подачи сигнала до начала вращения выходного вала.

При проектировании исполнительных элементов для систем управления в первую очередь подлежит выбору вращающий момент, достаточный для создания нужного перестановочного усилия регулирующего органа. Затем устанавливаются требования к габаритам и массе устройств и к их надежности. Выбор делается с учетом стоимости и затрат на эксплуатацию.

Контрольные вопросы и упражнения

1.В чем различие между силовыми и параметрическими исполнительными органами?

2.В чем различие между удерживающими и приводными электромагнитами?

3.Для чего служат электромагнитные муфты?

4.В чем различие между фрикционными и ферропорошковыми муф-

тами?

5.Расскажите о принципе действия электродвигателя постоянного то-

ка.

6.Как можно управлять двигателем постоянного тока? Объясните принципы управления.

7.Объясните принцип работы электродвигателя переменного тока.

8.В чем различие между асинхронной и синхронной машинами?

9.Для чего служат концевые выключатели в приводах?

10.Для чего служат датчики обратной связи по положению и по ско-

рости?

215

8.СРЕДСТВА СВЯЗИ

8.1.Эталонная модель взаимодействия открытых систем

Основой для разработки проектов взаимодействия технических средств систем управления реального времени является многоуровневая распределенная система управления (РСУ).

К нижнему уровню РСУ относятся механизмы и устройства, которые непосредственно «соприкасаются» с процессом – датчики

иисполнительные средства. Эта так называемая «полевая» аппара-

тура образует уровень локального управления. На более высо-

ком уровне – уровне управления процессом – находятся контроллеры, регуляторы и другие «интеллектуальные» устройства, способные решать простейшие задачи сбора и локальной обработки информации, а также вывода управляющих сигналов на объект.

На среднем уровне РСУ – уровне координации механизмов –

отрабатывается управляющая программа системы, т.е. координируется работа отдельных механизмов. Для этого здесь установлены ЭВМ, которые могут обмениваться между собой информацией. Кроме того, этот уровень обменивается информацией в виде опорных и текущих значений с вышестоящими и нижележащими уровнями.

На следующем уровне РСУ – уровне координации процессов

– координируется деятельность нескольких участков для достижения равномерного потока материалов или энергии.

Верхний уровень РСУ – уровень стратегического управления

– это уровень принятия общих решений, которые влияют на работу всего предприятия.

Построенные по такому принципу системы могут быть интегрированы в единые интегрированные системы управления.

Очевидно, что на каждом уровне происходит сбор информации

иобмен ею с выше- и нижележащими уровнями. Объем этой информации на каждом уровне различен, однако процесс обмена в общем виде можно представить следующим образом.

Все процессы связи включают в себя передатчик и приемник. Передатчик передает сообщение, состоящее из последовательности

216

символов, приемнику по каналу связи, который является общим для передатчика и приемника. Для передачи сообщения применяется какой-либо код, в соответствии с которым передатчик изменяет некоторые физические свойства канала, а приемник восстанавливает сообщение по изменениям, которые он обнаружил в канале. На канал обычно влияет шум, искажающий сообщение и затрудняющий распознавание приемником изменений в канале и правильную интерпретацию сообщения.

Основной проблемой передачи данных является доставка за заданное время сообщения от пункта А в пункт Б при минимизации влияния шума. При передаче сообщений оба участника сетевого обмена должны принять множество соглашений. Например, они должны согласовать уровни и форму электрических сигналов, способ определения длины сообщений, договориться о методах контроля достоверности и т.п.

Средства сетевого взаимодействия могут быть представлены в виде иерархически организованного множества модулей. Процедура взаимодействия двух узлов может быть описана в виде набора правил взаимодействия каждой пары соответствующих уровней обеих участвующих сторон. Формализованные правила, определяющие последовательность и формат сообщений, которыми обмениваются сетевые компоненты, лежащие на одном уровне, но в разных узлах, называются протоколом.

Модули, реализующие протоколы соседних уровней и находящиеся в одном узле, также взаимодействуют друг с другом в соответствии с четко определенными правилами и с помощью стандартизованных форматов сообщений. Эти правила называют интер-

фейсом.

Современные технологии располагают разнообразными средствами для передачи больших объемов данных в виде иерархически организованного набора протоколов – стека коммуникационных протоколов.

Для того чтобы преодолеть трудности, возникающие из-за большого количества несовместимых стандартов, Международная организация по стандартизации (ISO) разработала эталонную модель взаимодействия открытых систем (ВОС), которая представля-

217

ет не только еще один стандарт, но и базу для разработки новых стандартов. Модель ВОС не связана с конкретными реализациями и описывает процесс коммуникации только в абстрактных понятиях. Практической целью модели ВОС является обеспечение совместимости и взаимозаменяемости.

Совместимость означает, что обмен данными не потребует непропорциональных расходов на их преобразования.

Взаимозаменяемость означает, что устройства, выпускаемые различными производителями для выполнения одной и той же функции, могут замещать друг друга без каких бы то ни было проблем при условии, что их работа основывается на одних и тех принципах и правилах.

В модели ВОС определены семь функциональных уровней. Объекты, расположенные на одном уровне в разных узлах коммуникационной сети, называются одноранговыми. Эти объекты взаимодействуют между собой на основе протоколов, которые определяют форматы сообщений и правила их передачи.

1.Физический уровень представляют собой физическую среду передачи. Все детали, касающиеся среды передачи, уровня сигналов и частот, рассматриваются на этом уровне.

2.Канальный уровень обеспечивает функции, связанные с формированием и передачей кадров от одного узла к другому, обнаружением и исправлением ошибок, возникающих на физическом уровне. Если несколько устройств используют общую среду передачи, то на этом уровне также осуществляется управление доступом к среде.

3.Сетевой уровень устанавливает маршрут и контролирует прохождение сообщений от источника к узлу назначения.

4.Транспортный уровень решает задачу независимости верхних уровней от физической структуры сети и от маршрута доставки сообщений. Этот уровень несет ответственность за проверку правильности передачи данных от источника к приемнику и доставку данных к прикладным программам.

5.Сеансовый уровень отвечает за установку, поддержку синхронизации и управление соединением между объектами уровня представления данных.

218

6.Уровень представления данных обеспечивает кодирование

ипреобразование неструктурированного потока бит в формат, понятный приложению-получателю, т.е. восстановление исходного формата данных (сообщение, текст, рисунок и т.п.).

7.Прикладной уровень организует решение прикладных задач

– передачу файлов, операции с распределенными базами данных и удаленное управление.

Объекты обмениваются данными в соответствии с протоколами, определенными для соответствующих уровней, начиная с последнего, седьмого уровня. Перемещаясь вниз по уровням, сообщение «обрастает» служебной информацией. Наконец, оно достигает нижнего, физического уровня, который и передает его по линиям связи машине-адресату. Когда сообщение по сети поступает по сети на машину-адресат, оно принимается ее физическим уровнем и последовательно перемещается с уровня на уровень. Каждый уровень анализирует и обрабатывает заголовок своего уровня, выполняя соответствующие данному уровню функции, а затем удаляет этот заголовок и предает сообщение вышележащему уровню.

Физический уровень – единственный, имеющий материальное воплощение; остальные уровни представляют собой наборы правил или описание вызовов функций, реализованные программными средствами.

Впоследнее время в вычислительных сетях промышленной автоматики находит широкое применение протокол TCP/IP (Transmission Control Protocol/Internet Protocol). Уровни этого протокола определены следующим образом.

Уровни 1 и 2 явным образом не специфицированы; предполагается, что существует физическое соединение и соответствующее управление каналом.

Уровню 3 соответствует межсетевой протокол IP, который обеспечивает передачу дейтаграмм по сети от одной станции к другой. На этом уровне получатель не должен подтверждать доставку дейтаграммы.

Уровень 4 включает в себя средства, расширяющие базовые службы IP. Он осуществляет транспорт дейтаграмм между прило-

219

жениями. Каждое приложение должно самостоятельно осуществлять проверку и исправление ошибок.

Уровень 5 представляет собой совокупность служб, предназначенных для пользователя сети.

Если рассматривать уровни РСУ с позиций организации ВОС или протокола TCP/IP, то можно сделать вывод о том, что на двух нижних уровнях требуется решать задачи ввода/вывода информации в простейшие контроллеры и процессоры, и это соответствует первым двум уровням модели ВОС. На более высоких уровнях РСУ приходится обмениваться информацией между машинами одного уровня, и здесь требуются локальные сети, в которых взаимодействие узлов организовано так, как предписывается более высокими уровнями модели ВОС.

Основными элементами сети являются стандартные компьютеры, не имеющие ни общих блоков памяти, ни общих периферийных устройств. Каждый компьютер работает под управлением собственной операционной системы, а какая-то общая операционная система, распределяющая работу между компьютерами сети, отсутствует. Взаимодействие между компьютерами сети происходит путем передачи сообщений через сетевые адаптеры и каналы связи.

Спомощью этих сообщений один компьютер запрашивает доступ

клокальным ресурсам другого компьютера.

ВАСУТП используются три основные структуры сетевого обмена: архитектура «клиент–сервер», архитектура «ведомый– ведущий» («Master/Slave») и обмен с помощью широковещательных пакетов. Рассмотрим их особенности с точки зрения удовлетворения требованиям АСУТП реального времени (РВ). В нашем случае примем, что система работает в режиме РВ, если она реагирует в течение предсказуемого интервала времени на хаотический поток внешних событий.

Всистеме «клиент–сервер» клиент посылает запрос, который попадает в буфер и находится там некоторое время, прежде чем поступить в процессор для обработки. При этом сервер приостанавливает свою работу, чтобы ответить на данный запрос. Время ответа на запросы увеличивается по экспоненте с ростом числа клиентов, обращающихся к серверу. Могут образоваться очереди

220