лекции / lekcii_problemy_upravleniya_tehnologicheskimi_processami_v_m

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИСТЕТ «СТАНКИН»

Утверждаю:

КОНСПЕКТ ЛЕКЦИЙ ДИСЦИПЛИНЫ

«Проблемы управления технологическими процессами в машиностроении»

Для аспирантов ГОУ ВПО МГТУ «Станкин»

2010 – 2011 учебный год

2010 г.

1

Содержание Введение ………………………………………………………………………………. 3

Лекция № 1.

Раздел 1. Основные понятия о процессе управления объектами в режиме реального времени………………………………………………………….. 4 Лекция № 2

Управление локальными и распределенными системами объектов…………….. 8 Лекция №3.

Распределенные системы управления. ……………………………………………... 9 Лекция 4 Программируемые логические контроллеры (ПЛК), их роль

и особенности для применения в системах управления объектами в режиме реального времени. Обобщенная структура ПЛК. Особенности организации цикла процессора ПЛК. ……………………………………………….. 11

Лекция № 5.

Типовые сигналы используемые для работы с ПЛК по входам и выходам.

Описание функций релейно-контактных схем электороавтоматики.

Базовый набор элементов для программирования ПЛК. …………………………. 17

Лекция № 6.

Описание релейно-контакных схем с помощью аппарата алгебры логики…… 21

Лекция № 7.

Технические средства для проектирования прикладной программы

управления с использованием ПЛК ПЛК S7-200……………………………………. 25 Лекция № 8

Особенности процесса управления станками с ЧПУ. Логическая задача ЧПУ. Применение программируемого контроллера………………………………………….. 31

Лекция № 9.

Современные тенденции в развитие конфигурации программируемых контроллеров………………………………………………………….. 38

Выводы……………………………………………………………………………………… 46

2

Введение.

1. Цели и задачи дисциплины.

Основной целью преподавания дисциплины «Проблемы управления технологическими процессами в машиностроении» является ознакомление аспирантов с основными современными принципами и методами процессов управления технологическими системами в режиме реального времени, как на уровне управления локальными, так и распределенными системами.

Задачи изучения дисциплины.

Для успешного изучения методов и средств управления технологическими процессами автоматизированного производства необходимо:

освоение аспирантами структуры и методов построения систем управления объектами машиностроения и других прикладных областей в режиме реального времени, с применением в качестве систем управления программируемых логических контроллеров (ПЛК).

освоение аспирантами структуры и методов построения таких сложных и специфических систем управления какими являются системы числового программного управления станками и комплексами.

ознакомление аспирантов с современными тенденциями в области развития структур и функционалов программируемых контроллеров и систем ЧПУ типа PCNC, на базе персональных компьютеров.

Структура лекций по дисциплине «Проблемы управления технологическими процессами в машиностроении» построена в виде макета лекций, который представляет собой

"каркас", основу лекционного материла, где представлены лишь основные базовые данные

(заголовки, краткое изложения тематики лекций) и иллюстрации (рисунки, схемы,

таблицы, диаграммы и т.п.). Лектор поясняет и расширяет этот базовый материал,

комментируя иллюстрации, поясняя основные положения сформулированной темы очередной лекции и углубляя тематику в случае необходимости.

Макет лекций по дисциплине «Проблемы управления технологическими процессами в машиностроении» (для аспирантов) доступен и находится на следующем сайте кафедры "Компьютерные системы управления": www.ncsystems.ru/ru/education/lectures/

3

Лекция № 1.

Основные понятия о процессе управления объектами в режиме реального времени.

Подраздел 1:

1.1 Основные термины и определения.

ТЕРМИНЫ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ.

1. УПРАВЛЕНИЕ – это процесс воздействия на объект по изменению его состояния,

согласно ранее сформулированной цели управления, на основе входных сигналов,

информации о текущем состоянии объекта и наличия внешних факторов влияния.

2. ОБЪЕКТ УПРАВЛЕНИЯ – это техническая система (механизм, устройство, агрегат,

комплекс), которая имеет определенный набор входных воздействий и выходных параметров и реализует некоторый набор операций (технологический процесс).

3. ИНФОРМАЦИЯ – это данные, несущие в себе новизну и полезность.

Параметры информации:

Объем, количество информации;

Достоверность – показатель соответствия полученных сведений реальным сведениям;

Ценность – показатель результата использования информации;

Насыщенность – показатель соотношения полезной и фоновой информации.

Фоновая информация улучшает восприятие полезной информации;

Открытость – показатель характеризующий степень доступности различным группам людей.

4. ДАННЫЕ - это любые показатели, качественные или/и количественные, аналоговые или/и цифровые, которые используются в человеческой деятельности.

5. ЦЕЛЬ – это идеализированное мысленное предвосхищение результата предстоящей деятельности. Это эталоны и критерии, которыми пользуются при деятельности.

6. КАЧЕСТВО – это совокупность характеристик объекта, относящихся к его способности удовлетворять установленные или предполагаемые потребности. (Определение Международной организации по стандартизации).

7.ТЕХНОЛОГИЯ – это искусство организованно и осмысленно объединять и

реализовывать комплексный набор знаний, информации, методов, финансовых средств и технических ресурсов. Технология включает: Теоретические знания; Оборудование;

Инструмент; Ноу хау; Практический опыт и навыки.

8. НОУ ХАУ – это не защищенные охранными документами и не опубликованные знания или результаты опыта в технике, науке или управленческой деятельности.

4

9. ИННОВАЦИЯ (нововведение) – это цель доведенная до практического результата.

Другими словами, это процесс внедрения новых продуктов, производственных процессов

и услуг.

10. МЕХАТРОНИКА – это средство принятия сложных решений для функционирования механических (физических) систем на основе применения компьютерной техники.

11. СИСТЕМА – это совокупность элементов (объектов), взаимосвязанных друг с другом определенным образом, образующая единое структурное целое и характеризующаяся определенным поведением.

Существует пять признаков системы как совокупности объектов (элементов):

1)структурность – характеризуется тем, что объекты в системе связанны друг с другом определенными операциями и отношениями.

2)целостность – характеризуется тем, что разрушение объектов внутри системы ведет к потере признаков системы.

3)иерархичность – характеризуется тем, что в системе обязательно существуют уровни подчиненности (зависимости) объектов по вертикали.

4)взаимозависимость – характеризуется тем, что изменение свойств одного объекта совокупности ведет за собой изменение свойств других объектов.

5)множественность описания – характеризуется тем, что взаимосвязи объектов внутри системы могут быть представлены или визуализированы различными способами: аналитическими, графическими, логическими.

12.МОДЕЛЬ – это условное представление действительности.

Типы моделей:

Иллюстративные (чертежи, карты, натурные (физические) модели);

Символьные (математическое описаниеформулы, графы, сети).

Формальное определение понятия модель: моделью М называется любое

представление системы S, если существует понятное описание системы A, с некоторой

13. МЕНЕДЖМЕНТ – это совокупность принципов, методов и средств общего управления бизнес-процессами (производство или услуги), с целью повышения эффективности предпринимательской деятельности и увеличения прибыли.

14. ЛОГИСТИКА – совокупность целеориентированных правил и методов управления материальными и информационными потоками на предприятии, с включением операций доставки сырья до поставщиков и поставки продукции потребителям.

5

15. ВИРТУАЛЬНАЯ КОРПОРАЦИЯ – это временная сеть независимых компаний, связанных информационными технологиями для совместного использования интеллектуальных и финансовых ресурсов, с целью получения прибыли, обеспечения конкурентноспособности и завоевания рынков.

Подраздел 2 1.2 Классификация систем управления в режиме реального времени в контексте

функционалов объектов управления.

Рис.1.1 Схема классификации систем управления объектами.

Рекомендуемая литература:

1.Захаров В.Н., Поспелов Д.А., Хазацкий В.Е. Системы управления. Задание. Проектирование. Реализация. М.: Изд-во «Энергия», 1977.

2.Левин А.И. Менеджмент или управление – в чем разница? Век качества, № 3, 2001.

Подраздел 3,

1.3 Роль и функции режима реального времени при управлении объектами.

Рассматриваются роль и функции режима реального времени при управлении объектами, с точки зрения функционального, программного и аппаратного уровней реализации. Дается понятие об операционной системе реального времени и механизмах режима реального времени.

Понятие о режиме реального времени.

Задачи управления в режиме реального времени составляют одну из важных областей

применения вычислительной техники, в контексте задач управления и контроля

процессами. Управление прокатными станами, роботами, движение на автомагистралях, управление коммуникационными трафиками, контроль за состоянием окружающей

6

среды, управление атомными и космическими станциями и многое другое — все это область задач реального времени. Эти задачи предъявляют такие требования к аппаратному и программному обеспечению, как надежность, высокая пропускная способность передающей среды в распределенных системах, своевременная реакция на внешние события и т.д. Для выполнения этих требований создаются системы реального времени.

Термин «режим реального времени» в процессе управления отображает прежде всего факт своевременного получения результата управляющих воздействий на объект.

Здесь «своевременность» означает, что управляющее воздействие по продолжительности должно вырабатываться гораздо быстрее существующей паузы между двумя соседними запросами на изменение состояний объекта. Для более углубленного понятия управления объектом в режиме реального времени можно выделить три уровня представления этого режима: Функциональный уровень, Программный (системный, прикладной) уровень и.

Аппаратный уровень.

Операционные системы реального времени

Задачи реального времени предъявляют определенные требования к вычислительно-

управляющим системам, в том числе к операционным системам (ОС), в которых реализовано программное обеспечение реального времени (ОСРВ). Эти требования изложены в стандарте POSIX 1003.4 рабочего комитета IEEE. Стандарт определяет ОС как систему реального времени, если она обеспечивает требуемый уровень сервиса за вполне определенное, ограниченное время (принцип предсказуемости).

При выборе аппаратного обеспечения систем реального времени предъявляются жесткие требования к временным характеристикам и гибкости системы.

Рекомендуемая литература:

7

Лекция № 2

Управление локальными и распределенными системами объектов, уровни обеспечения процесса управления и их функции.

Представлена типовая модель процесса управления локальным объектом. Дается характеристика информационным потокам процесса управления. Рассмотрена типовая структура распределенной четырехуровневой системы управления набором разных объектов в контексте управления технологическим процессом и оборудованием в интегрированной производственной системе.

На рис 2.1 представлена обобщенная модель автоматизированного (компьютерного)

управления объектом, в которой, на основе взаимодействия семи основных информационных потоков, обеспечивается инвариантный замкнутый процесс управления, который применим практически для управления любым локальным объектом. В этой модели взаимодействует семь информационных потоков: поток входных сигналов - X(x1, x2, … xn ); поток выходных сигналов - Y(y1, y2, … ym ); поток сигналов состояний объекта управления - A(a1,a2,… ak);

поток сигналов возможных внешних возмущений - G (g1, g2, … gs ); поток возможных сигналов с пульта оператора - I (i1, i2,… ih ); поток сигналов, реализующих алгоритм процесса управления - P (p1, p2, … pr ); поток сигналов программы управления объектом-

U (u1, u2, … ul ).

Центральным узлом системы управления является подсистема принятия решений, в

которой, на основе анализа пяти входящих информационных потоков X, A, G, I, P,

вырабатываются сигналы программного управления объектом через вектор сигналов управления – U.

Примечание:

1. Термин - Внешние возмущения определяет процессы, нарушающие заданный режим управления.

2.Термин - Синхронизация – определяет средства и методы согласования и упорядочения сигналов, как физических носителей информации, и привязка их к оси времени, согласно определенным правилам (протоколу).

8

Рис. 2.1 Обобщенная модель процесса управления локальным объектом.

Лекция 3. Распределенные системы управления.

Распределенная система управления объектами — это совокупность локальных систем,

объединенных общей целью процесса управления, общими коммуникационными связями и общими ресурсами. Пример типовой структуры распределенной системы управления объектами производственной среды представлен на рис. 2.2.

В структуре системы управления предприятием (см. рис.2.2) можно выделить четыре уровня:

I – уровень –сеть Internet (уровень корпоративного информационного взаимодействия)

II – уровень администрирования и планирования;

II – уровень оперативного управления производством;

IV – уровень управления конкретными объектами производства ( реализация технологического процесса по выпуску продукции).

Данная система является типовой четырехуровневой системой управления распределенными объектами.

9

Рис. 2.2 Структура типовой производственной распределенной системы управления.

Классификация ресурсов. Общие системные ресурсы, обеспечивающие процесс функционирования интегрированных автоматизированных систем промышленного профиля подразделяются на следующие пять категорий:

- Материальные ресурсы, которые включают средства труда и предметы труда. К средствам труда относят основное и вспомогательное оборудование, транспорт; к предметам труда – материалы, готовые изделия, оснастку, инструмент.

- Временные ресурсы – это календарные сроки выполнения плановых заданий (годовых,

квартальных, месячных, суточных и посменных), а также сроки выполнения перспективных планов работ.

- Энергетические ресурсы – это резервы следующих видов энергии: электрической,

гидравлической и пневматической.

- Информационные ресурсы – это текстовые документы самого различного назначения по функционированию бизнес-процессов; устные сообщения (приказы, инструкции,

консультации); терминальные сообщения (на экранах средств визуализации); диалоговые интерфейсные текстовые и графические компоненты; сигналы систем безопасности;

10