Теория автоматического управления (ТАУ)

Часть 1. Теория Автоматического Управления (ТАУ) 1 Основные термины и определения ТАУ 1.1 Основные понятия Системы управления современными химико-технологическими процессами характеризуются большим количеством технологических параметров, число которых может достигать нескольких тысяч. Для поддержания требуемого режима работы, а в конечном итоге – качества выпускаемой продукции, все эти величины необходимо поддерживать постоянными или изменять по определенному закону. Данный процесс называется управлением. Решение задачи управления такими процессами вручную не всегда представляется возможным вследствие ограниченности возможностей операторов по быстродействию, точности, безошибочности действий. Управление в таких случаях возможно только путем применения автоматических регуляторов и управляющих устройств (т.е. автоматических и автоматизированных систем управления). Под разработкой автоматических систем регулирования понимается, во-первых, выбор соответствующих регуляторов, датчиков и исполнительных устройств, во-вторых, расчет настроек для выбранного оборудования. Теория автоматического управления (ТАУ) представляет собой математический инструмент для решения задачи разработки такой системы. Перед ТАУ ставятся основные задачи: 1) анализ существующих систем управления на предмет определения качества их функционирования; 2) синтез новых систем управления – разработка методов расчета настроек регуляторов; 3) решение диагностических задач. Прежде чем знакомиться с методами ТАУ, необходимо определиться с основными понятиями, которые будут использованы в дальнейшем. Физические величины, определяющие ход технологического процесса, называются параметрами технологического процесса. Например, параметрами технологического процесса могут быть: температура, давление, расход, напряжение и т.д. Параметр технологического процесса, который необходимо поддерживать постоянным или изменять по определенному закону, называется регулируемой величиной или регулируемым параметром. Значение регулируемой величины в рассматриваемый момент времени называется мгновенным значением. Значение регулируемой величины, полученное в рассматриваемый момент времени на основании данных некоторого измерительного прибора, называется ее измеренным значением. Пример 1. Схема ручного регулирования температуры сушильного шкафа (рисунок 1.1). Требуется вручную поддерживать температуру в сушильном шкафу на уровне Тзад. Человек-оператор в зависимости от показаний ртутного термометра РТ включает или выключает нагревательный элемент Н с помощью рубильника Р.  Рисунок 1.1 На основе данного примера можно ввести определения: Объект управления (объект регулирования) – устройство, требуемый режим работы которого должен поддерживаться извне специально организованными управляющими воздействиями. Управление – формирование управляющих воздействий, обеспечивающих требуемый режим работы объекта управления (ОУ). Регулирование – частный вид управления, когда задачей является обеспечение постоянства какой-либо выходной величины ОУ. Автоматическое управление – управление, осуществляемое без непосредственного участия человека. Входное воздействие (Х) – воздействие, подаваемое на вход системы или устройства. Выходное воздействие (Y) – воздействие, выдаваемое на выходе системы или устройства. Внешнее воздействие – воздействие внешней среды на систему. Структурная схема системы регулирования к примеру 1 изображена на рисунке 1.2. Пример 2. Схема автоматического регулирования температуры сушильного шкафа. В схеме используется ртутный термометр с контактами РТК. При повышении температуры до заданной контакты замыкаются столбиком ртути, катушка релейного элемента РЭ возбуждается и цепь нагревателя Н размыкается контактом РЭ. При понижении температуры контакты термометра размыкаются, реле обесточивается, возобновляя подачу энергии на объект (рисунок 1.3).  Рисунок 1.3 Пример 3. Схема АСР температуры с измерительным мостом. Для измерения температуры в объекте управления (шкафу) используется термометр сопротивления, принцип действия которого заключается в том, что при изменении температуры его электрическое сопротивление также изменяется (при нагреве – увеличивается, при охлаждении – уменьшается), что позволяет по изменению сопротивления судить об изменении температуры. Основу регулирующей части составляет электронный мост. Электронным мостом называется соединение из нескольких (как правило, четырех, в рассматриваемом ниже примере – из шести) сопротивлений (см. рисунок 1.4), имеющее две диагонали: питающую (диагональ АВ), на которую подается питающее напряжение Uпит, и измерительную (диагональ CD), с которой снимается измеренное напряжение Uизм. Основное свойство моста – способность находиться в одном из двух состояний: уравновешенном (когда Uизм = 0) и неуравновешенном (Uизм  0). Уравновешенность моста определяется сопротивлениями Ri и описывается условием . На схеме АСР температуры, изображенной на рисунке 1.5, электронный мост обозначен как М и включает термометр сопротивления Rт и переменные сопротивления R и Rзад. При температуре объекта, равной заданной, измерительный мост М (см. рисунок 1.5) уравновешен, на вход электронного усилителя ЭУ сигнал не поступает и система находится в равновесии. При отклонении температуры изменяется сопротивление терморезистора RТ и равновесие моста нарушается. На входе ЭУ появляется напряжение, фаза которого зависит от знака отклонения температуры от заданной. Напряжение, усиленное в ЭУ, поступает на двигатель Д, который перемещает движок автотрансформатора АТ в соответствующую сторону. При достижении температуры, равной заданной, мост сбалансируется и двигатель отключится. Рисунок 1.5 Величина заданного значения температуры устанавливается с помощью резистора Rзад.  Описанные примеры иллюстрируют общую для всех систем управления структуру. Любая система управления (ручного, автоматического или автоматизированного) в обязательном порядке содержит четыре элемента (или четыре множества элементов), объединенных в замкнутый контур передачи воздействий (см. рисунок 1.6): - объект управления, - управляющая часть, - датчик (датчики), - исполнительное устройство (устройства). Рисунок 1.6 Датчик (Д) – устройство или комплекс устройств, преобразующих измеряемый параметр технологического процесса в вид, удобный для дальнейшей передачи и использования. Как правило, технологические параметры неудобно или невозможно контролировать (наблюдать, выводить на пульт оператора и т.д.) напрямую без дополнительных технических средств. Например, температуру нельзя наблюдать визуально, контроль температуры тела возможен только в сравнении со степенью нагретости какого-либо другого тела. Чтобы контроль параметров стал возможен, используют разного рода датчики, которые преобразуют измеряемые параметры в показания на шкале прибора (показывающие датчики, например, ртутный термометр), в разность потенциалов (например, термопары) в сопротивление (термометры сопротивления), в давление (пневматические датчики). Датчик измеряет технологический параметр, преобразует его в другой вид энергии и передает управляющей части. Управляющая часть реализует алгоритмы управления. В автоматических системах управления этой частью является регулятор, для систем ручного управления – человек-оператор. В управляющей части генерируются управляющие воздействия на объект управления (например, решения на включение/выключение рубильника, изменения напряжения и т.д.). Для реализации управляющих воздействий служат исполнительные устройства (ИУ). Работа датчиков и исполнительных устройств в отличие от управляющей части заключается лишь в преобразовании энергии, изменения информации в них практически не происходит (если не считать погрешности). Поэтому при анализе и синтезе систем управления чаще эти части СУ опускают, считая их коэффициенты усиления равными «1». Наиболее часто в ТАУ при расчетах пользуются общей схемой одноконтурной АСР (см. рисунок 1.7). На схеме приняты обозначения: x - задающее воздействие (задание), e = х - у - ошибка регулирования, u - управляющее воздействие, f - возмущающее воздействие (возмущение). Элемент называется сумматором. Его действие заключается в суммировании поступающих к нему сигналов. Если какой-либо сектор сумматора зачернен, то сигнал, поступающий в данный сектор, берется со знаком «минус». Поэтому в данной схеме ошибка е определяется как разность между х и у. Рисунок 1.7 Определения: Задающее воздействие (то же, что входное воздействие х) - воздействие на систему, определяющее требуемый закон изменения регулируемой величины). Управляющее воздействие (u) - воздействие управляющего устройства на объект управления. Управляющее устройство (УУ) - устройство, осуществляющее воздействие на объект управления с целью обеспечения требуемого режима работы. Возмущающее воздействие (f) - воздействие, стремящееся нарушить требуемую функциональную связь между задающим воздействием и регулируемой величиной. Ошибка управления (е = х - у) - разность между предписанным (х) и действительным (у) значениями регулируемой величины. Регулятор (Р) - комплекс устройств, присоединяемых к регулируемому объекту и обеспечивающих автоматическое поддержание заданного значения его регулируемой величины или автоматическое изменение ее по определенному закону. Автоматическая система регулирования (АСР) - автоматическая система с замкнутой цепью воздействия, в котором управление (u) вырабатывается в результате сравнения истинного значения у с заданным значением х. Дополнительная связь в структурной схеме АСР, направленная от выхода к входу рассматриваемого участка цепи воздействий, называется обратной связью (ОС). Обратная связь может быть отрицательной или положительной. Принцип функционирования одноконтурной АСР: регулятор производит постоянное сравнение текущего значения регулируемой величины у с заданным значением х, определяя ошибку е = х – у. Если текущее значение равно заданному, то регулятор не изменяет управляющее воздействие (АСР работает в установившемся режиме), в противном случае управляющее воздействие на объект u изменяется в соответствии с величиной ошибки. Чем больше ошибка регулирования (и дольше она наблюдается), тем больше изменение управляющего воздействия. Данная схема справедлива как для автоматического, так и для ручного управления. При ручном регулировании человек-оператор, наблюдая за показаниями датчиков, мысленно сравнивает их с заданными значениями, т.е. определяет величину ошибки регулирования и, исходя из этого, решает, какие действия предпринимать. 1.2 Классификация АСР 1 По назначению (по характеру изменения задания): • стабилизирующая АСР - система, алгоритм функционирования которой содержит предписание поддерживать регулируемую величину на постоянном значении (x = const); • программная АСР - система, алгоритм функционирования которой содержит предписание изменять регулируемую величину в соответствии с заранее заданной функцией (x  изменяется программно, например, как функция времени); • следящая АСР - система, алгоритм функционирования которой содержит предписание изменять регулируемую величину в зависимости от заранее неизвестной величины на входе АСР (x изменяется произвольно). 2 По количеству контуров: • одноконтурные - содержащие один контур регулирования (одну обратную связь по регулируемому параметру), • многоконтурные - содержащие несколько контуров регулирования (несколько обратных связей, например, по нескольким параметрам, по скорости/ускорению изменения параметра и т.д.). 3 По числу регулируемых величин: • одномерные - системы с 1 регулируемой величиной, • многомерные - системы с несколькими регулируемыми величинами. Многомерные АСР в свою очередь подразделяются на системы: а) несвязанного регулирования, в которых регуляторы непосредственно не связаны и могут взаимодействовать только через общий для них объект управления; б) связанного регулирования, в которых регуляторы различных параметров одного и того же технологического процесса связаны между собой вне объекта регулирования. 4 По функциональному назначению: АСР температуры, давления, расхода, уровня, напряжения и т.д. 5 По характеру используемых для управления сигналов: • непрерывные, • дискретные (релейные, импульсные, цифровые). 6 По характеру математических соотношений: • линейные, для которых справедлив принцип суперпозиции; • нелинейные. Примечание - Если на вход объекта подается несколько входных воздействий, то реакция объекта на сумму входных воздействий равна сумме реакций объекта на каждое воздействие в отдельности: (х1 + х2) = (х1) + (х2), где  - линейная функция (интегрирование, дифференцирование и т.д.). Данный принцип называется принципом суперпозиции (наложения). 7 По виду используемой для регулирования энергии: • пневматические, • гидравлические, • электрические, • механические и др. 8 По наличию внутреннего источника энергии • системы прямого действия, • системы с вспомогательным источником энергии. 9 По принципу регулирования: • по отклонению: Подавляющее большинство систем построено по принципу обратной связи - регулирования по отклонению (см. рисунок 1.9). Принцип действия такой системы рассмотрен выше. • по возмущению. Данные системы могут быть использованы в том случае, если есть возможность измерения возмущающего воздействия (см. рисунок 1.10). На схеме обозначено К - корректирующее звено. • комбинированные - сочетают в себе особенности предыдущих АСР. Данный способ (см. рисунок 1.11) достигает высокого качества управления, поскольку здесь идет коррекция управляющего воздействия не только по величине ошибки, но и по возмущающему воздействию, однако применение данного способа регулирования ограничено тем, что возмущающее воздействие f не всегда возможно измерить. 1.3 Классификация элементов систем Системы управления строятся из элементов (устройств, к числу которых можно отнести регуляторы, датчики, исполнительные устройства, а также элементы объекта управления). Элементы СУ также можно классифицировать по нескольким признакам. 1 По функциональному назначению: • измерительные, • усилительно-преобразовательные, • исполнительные, • корректирующие. 2 По виду энергии, используемой для работы: • электрические, • гидравлические, • пневматические, • механические, • комбинированные. 3 По наличию или отсутствию вспомогательного источника энергии: • активные (с источником энергии), • пассивные (без источника). 4 По характеру математических соотношений: • линейные – для которых справедлив принцип суперпозиции, • нелинейные. 5 По поведению в статическом режиме: • статические, у которых имеется однозначная зависимость между входным и выходным воздействиями (состояние статики). Примером является любой тепловой объект. Например, если на вход электрического нагревателя подать некоторое напряжение, то с течением времени его температура установится на соответствующем значении (вид зависимости температуры от времени может иметь вид, представленный на рисунке 1.12, а). При этом установившаяся температура будет зависеть от величины поданного напряжения. • астатические - у которых эта зависимость отсутствует. То есть, при постоянном входном воздействии амплитуда сигнала на выходе непрерывно растет с постоянной скоростью, ускорением и т.д. Пример: Зависимость угла поворота ротора электродвигателя от приложенного напряжения. При подаче напряжения угол поворота будет постоянно возрастать, поэтому однозначной зависимости у него нет (пример см. на рисунке 1.12, б). а) б) Рисунок 1.12 2 Характеристики и модели элементов и систем 2.1 Основные модели Работу системы регулирования можно описать словесно. Так, в п. 1.1 описана система регулирования температуры сушильного шкафа. Словесное описание помогает понять принцип действия системы, ее назначение, особенности функционирования и т.д. Однако, что самое главное, оно не дает количественных оценок качества регулирования, поэтому не пригодно для изучения характеристик систем и построения систем автоматизированного управления. Вместо него в ТАУ используются более точные математические методы описания свойств систем: • статические характеристики, • временные характеристики, • дифференциальные уравнения, • передаточные функции, • частотные характеристики и др. В любой из этих моделей система может быть представлена в виде звена, имеющего входные воздействия Х, возмущения F и выходные воздействия Y (см. рисунок 1.13). Под влиянием входных воздействий выходная величина может изменяться. Установившийся режим - это режим, при котором расхождение между истинным значением регулируемой величины и ее заданным значением будет постоянным во времени. 2.2 Статические характеристики Статической характеристикой элемента называется зависимость установившихся значений выходной величины от значения величины на входе системы, т.е. yуст = (х). Статическую характеристику (см. рис. 1.14) часто изображают графически в виде кривой у(х). Линейным статическим элементом называется безынерционный элемент, обладающий линейной статической характеристикой: ууст = К*х + а0. Как видно, статическая характеристика элемента в данном случае имеет вид прямой с коэффициентом наклона К. Линейные статические характеристики, в отличие от нелинейных, более удобны для изучения благодаря своей простоте. Если модель объекта нелинейна, то обычно ее преобразуют к линейному виду путем линеаризации. САУ называется статической, если при постоянном входном воздействии ошибка управления е стремится к постоянному значению, зависящему от величины воздействия. САУ называется астатической, если при постоянном входном воздействии ошибка управления стремится к нулю вне зависимости от величины воздействия. 2.3 Временные характеристики Переход системы от одного установившегося режима к другому при каких-либо входных воздействиях называется переходным процессом. Переходные процессы могут изображаться графически в виде кривой y(t). Например, процесс нагрева сушильного шкафа до установившегося значения может иметь вид, представленный на рисунке 1.15. То есть переходный процесс характеризует динамические свойства системы, ее поведение. Следует различать динамические и статические характеристики, поскольку они строятся в разных координатах и характеризуют различные свойства системы. Зная набор динамических характеристик при различных входных воздействиях, можно построить статическую характеристику, но по статической характеристике восстановить динамику невозможно. Поскольку входные воздействия могут изменяться во времени, то и переходные характеристики будут каждый раз разные. Для простоты анализа систем входные воздействия приводят к одному из типовых видов сигналов (см. рисунок 1.16). В зависимости от вида входного воздействия функция у(t) может иметь разное обозначение: Переходной характеристикой h(t) называется реакция объекта на единичное ступенчатое воздействие (сигнал) при нулевых начальных условиях, т.е. при х(0) = 0 и у(0) = 0. Импульсной характеристикой (t) называется реакция объекта на -функцию при нулевых начальных условиях. При подаче на вход объекта синусоидального сигнала на выходе, как правило, в установившемся режиме получается также синусоидальный сигнал, но с другой амплитудой и фазой: y = Aвых*sin(*t + ), где Aвых - амплитуда,  - частота сигнала,  - фаза. Частотной характеристикой (ЧХ, АФХ и др.) называется зависимость амплитуды и фазы выходного сигнала системы в установившемся режиме при приложении на входе гармонического воздействия. 2.4 Дифференциальные уравнения. Линеаризация Известно, что любое движение, процессы передачи, обмена, преобразования энергии и вещества математически можно описать в виде дифференциальных уравнений (ДУ). Любые процессы в АСР также можно описать дифференциальными уравнениями, которые определяют сущность происходящих в системе процессов независимо от ее конструкции и т.д. Решив ДУ, можно найти характер изменения регулируемой переменной в переходных и установившихся режимах при различных воздействиях на систему. Для упрощения задачи нахождения ДУ, описывающего работу АСР в целом, систему разбивают на ее отдельные элементы, переходные процессы в которых описываются достаточно простыми ДУ. Так как ДУ описывают работу системы независимо от физической сущности протекающих в ней процессов, то при декомпозиции системы нет необходимости учитывать их физическую целостность. Для каждого элемента структурной схемы необходимо составить ДУ, определяющее зависимость изменения выходной величины от входной. Так как выходная величина предыдущего элемента является входной для последующего, то, определив ДУ отдельных элементов, можно найти ДУ системы. Однако такой метод применим только в частных случаях. Дело в том, что в большинстве случаев в реальных элементах системы связь между входной и выходной величинами является нелинейной и часто задается в графической форме. Поэтому, даже если ДУ системы и будет получено, оно будет нелинейным. А аналитическое решение нелинейных ДУ возможно далеко не всегда. Для решения этой проблемы учитывают, что в процессе регулирования отклонения всех изменяющихся величин от их установившихся значений малы, и поэтому возможна замена нелинейных ДУ приближенными линейными ДУ, то есть возможна линеаризация дифференциальных уравнений. Рассмотрим сущность процесса линеаризации на примере сушильного шкафа. Зависимость температуры объекта от подаваемого напряжения в большинстве случаев нелинейна и имеет вид, представленный на рисунке 1.17. Графически линеаризацию некоторого уравнения от двух переменных F(х,у) = 0 в окрестности некоторой точки (х0, у0) можно представить как замену рассматриваемого участка кривой на касательную (см. рисунок 1.17), уравнение которой определяется по формуле , где и - частные производные от F по х и у. Данное уравнение называется уравнением в приращениях, поскольку значения х и у здесь заменены на приращения х = х - х0 и у = у - у0. Линеаризация ДУ происходит аналогично, отличие состоит только в том, что необходимо искать частные производные по производным (, , и т.д.). Итоговое уравнение в приращениях будет содержать приращения производных: х’ = х’ – х’0, х” = х” – х”0, … , y’ = y’ – y’0, y” = y” – y”0, и т.д. Пример. Линеаризация нелинейного ДУ. 3xy - 4x2 + 1,5y = 5 + y Данное ДУ является нелинейным из-за наличия произведений переменных х и у. Линеаризируем его в окрестности точки с координатами х0 = 1, = 0, = 0. Для определения недостающего начального условия у0 подставим данные значения в ДУ: 3у0 - 4 + 0 = 0 + у0, откуда у0 = 2. Введем в рассмотрение функцию F = 3xy - 4x2 + 1,5x’y - 5y’ - y и определим все ее производные при заданных начальных условиях: = (3у - 8х= 3*2 - 8*1 = -2, = (3х + 1,5x’ - 1= 3*1 + 1,5*0 - 1 = 2, = (1,5у= 1,5*2 = 3, = -5. Теперь, используя полученные коэффициенты, можно записать окончательное линейное ДУ: -5.y’ + 2.y + 3.х’ - 2.х = 0.  Линеаризация ДУ, заданного в явном виде относительно у, т.е. y = F(x) производится по формуле , то есть в данном случае нет необходимости искать производные по у. 2.5 Преобразования Лапласа Исследование АСР существенно упрощается при использовании прикладных математических методов операционного исчисления, поскольку позволяет от решения ДУ перейти к решению алгебраических уравнений. Например, функционирование некоторой системы описывается ДУ вида , (2.1) где х и у - входная и выходная величины. Если в данное уравнение вместо x(t) и y(t) подставить функции X(s) и Y(s) комплексного переменного s такие, что и , (2.2) то исходное ДУ при нулевых начальных условиях равносильно линейному алгебраическому уравнению a2 s2 Y(s) + a1 s Y(s) + a0 Y(s) = b1 X(s) + b0 X(s). Такой переход от ДУ к алгебраическому уравнению называется преобразованием Лапласа, формулы (2.2) соответственно формулами преобразования Лапласа, а полученное уравнение - операторным уравнением. Новые функции X(s) и Y(s) называются изображениями x(t) и y(t) по Лапласу, тогда как x(t) и y(t) являются оригиналами по отношению к X(s) и Y(s). Переход от одной модели к другой достаточно прост и заключается в замене знаков дифференциалов на операторы sn, знаков интегралов на множители , а самих x(t) и y(t) - изображениями X(s) и Y(s). Таблица 1.1 - Преобразования Лапласа Оригинал x(t) Изображение X(s) -функция 1 1 t t2 tn e-t .x(t) .X(s) x(t - ) X(s).e-s sn.X(s) Таблица 1.2 - Формулы обратного преобразования Лапласа (дополнение) Изображение X(s) Оригинал x(t) a  R, M  R (a и М - действительные числа) M.e-t a =  + j.  M = C + j.D (a и М – комплексные числа) 2.e*t.[C.cos(.t) - D.sin(.t)] для пары комплексных корней Для обратного перехода от операторного уравнения к функциям от времени используется метод обратного преобразования Лапласа. Общая формула обратного преобразования Лапласа: , (2.3) где f(t) - оригинал, F(j) - изображение при s = j, j - мнимая единица,  - частота. Эта формула достаточно сложна, поэтому были разработаны специальные таблицы (см. таблицы 1.1 и 1.2), в которые сведены наиболее часто встречающиеся функции F(s) и их оригиналы f(t). Они позволяют отказаться от прямого использования формулы (2.3). Более полные таблицы преобразований Лапласа можно найти, например, в [22, 23]. Существует несколько теорем преобразования Лапласа. Теорема 1. Теорема линейности. Изображение суммы функций равно сумме изображений, то есть, если f1 имеет изображение F1(s) (или более кратко f1  F1(s) ), f2  F2(s) и т.д., то a1.f1 + a2.f2 + … + an.fn  a1.F1(s) + a2.F2(s) + … + an.Fn(s). Теорема 2. Теорема дифференцирования. Если f(t) имеет изображение F(s), то при нулевых начальных условиях (т.е. при f(0) = 0, f’(0) = 0 и т.д.) производные f(t) будут иметь изображения: f’(t)  s.F(s) – для первой производной, f ”(t)  s2.F(s) – для второй производной, f(n)(t)  sn.F(s) – для n-й производной. При ненулевых начальных условиях: f’(t)  s.F(s) – f(0) – для первой производной, f ”(t)  s2.F(s) – s.f(0) – f’(0) – для второй производной, f(n)(t)  sn.F(s) – sn-1.f(0) - sn-2.f’(0) - … - f(n-1)(0) – для n-й. Теорема 3. Теорема смещения. f(t).et  F(s - ). Например, если 1(t)  (см. таблицу 1.1), то 1.et  . Теорема 4. Теорема запаздывания. f(t - )  F(s) .e-s, где  - запаздывание по времени. Например, если 1(t)  , то 1(t - )  . Теорема 5. Теорема интегрирования. . Теорема 6. О начальных и конечных значениях. , , где f(0) – начальное значение функции (при t = 0), fуст – конечное (значение в установившемся режиме). Закон изменения выходного сигнала обычно является функцией, которую необходимо найти, а входной сигнал, как правило, известен. Некоторые типовые входные сигналы были рассмотрены в п. 2.3. Здесь приводятся их изображения: единичное ступенчатое воздействие имеет изображение X(s) = , дельта-функция X(s) = 1, линейное воздействие X(s) = . Пример. Решение ДУ с использованием преобразований Лапласа. Допустим, входной сигнал имеет форму единичного ступенчатого воздействия, т.е. x(t) = 1. Тогда изображение входного сигнала, согласно таблице 1.1, имеет вид X(s) = . Производим преобразование исходного ДУ по Лапласу и подставляем X(s): s2Y(s) + 5sY(s) + 6Y(s) = 2sX(s) + 12X(s), s2Y(s) + 5sY(s) + 6Y(s) = 2s + 12, Y(s)(s3 + 5s2 + 6s) = 2s + 12. Определяется выражение для Y: . Оригинал полученной функции отсутствует в таблице оригиналов и изображений. Для решения задачи его поиска дробь разбивается на сумму простых дробей с учетом того, что знаменатель может быть представлен в виде s(s + 2)(s + 3): ==-+. Теперь, используя табличные функции (см. таблицы 1.1 и 1.2), определяется оригинал выходной функции: y(t) = 2 - 4.e-2t + 2.e-3t.  При решении ДУ с использованием преобразований Лапласа часто встает промежуточная задача разбиения дроби на сумму простых дробей. Существуют два пути решения этой задачи: - путем решения системы уравнений относительно коэффициентов числителей, - путем расчета коэффициентов числителей по известным формулам. Общий алгоритм разбиения дроби на сумму простых дробей: шаг 1 – определяются корни знаменателя si (знаменатель дроби приравниватся к нулю и решается полученное уравнение относительно s); шаг 2 – каждому корню ставится в соответствие простая дробь вида , где Мi – неизвестный коэффициент; если имеет место кратный корень с кратностью k, то ему ставится в соответствие k дробей вида ; шаг 3 – определяются коэффициенты Mi по одному из вариантов расчета. Первый вариант. Определение Mi с помощью системы уравнений. Все дроби приводятся к одному знаменателю, затем путем сравнения коэффициентов при равных степенях s числителя полученной дроби и числителя исходной определяется система из n уравнений, где n – степень знаменателя (количество корней si и коэффициентов Mi). Решение системы относительно Mi дает искомые коэффициенты. Пример. Декомпозиция дроби из предыдущего примера. В исходной дроби n = 3, поэтому решение уравнения s3 + 5s2 + 6s = 0 дает 3 корня: s0 = 0, s1 = -2 и s2 = -3, которым соответствуют знаменатели простых дробей вида s, (s – s1) = (s + 2) и (s – s2) = (s + 3). Исходная дробь декомпозируется на три дроби: ==++. Далее дроби приводятся к общему знаменателю: = . Сравнивая получившуюся дробь с исходной, можно составить систему из трех уравнений с тремя неизвестными (при 2-й степени s в исходной дроби стоит 0, при 1-й стоит 2, свободный член равен 12): М0 + М1 + М2 = 0 M0 = 2 5.М0 + 3.М1 + 2.М2 = 2  M1 = -4 6.М0 = 12 M2 = 2 Следовательно, дробь можно представить как сумму трех дробей: =-+. Второй вариант. Определение коэффициентов Mi по формулам. Также как и в 1-м варианте необходимо найти корни знаменателя исходной дроби вида . Для определения Mi существуют формулы для каждого вида корней: - Для нулевого корня si = 0 знаменатель исходной дроби можно записать в виде A(s) = s.A1(s); тогда коэффициент Mi можно определить как . - Для ненулевого некратного корня (действительного или комплексного) si: , где A’(s) – производная знаменателя по s. Примечание - Комплексные корни при решении уравнений появляются комплексно-сопряженными парами вида si = i  ji , где i – действительныя часть корня, i – мнимая часть, j – мнимая единица. Поэтому коэффициенты для этих корней также будут комплексно-сопряженными: Mi = ci  di. То есть достаточно определить коэффициент только для одного корня, для парного корня он будет комплексно-сопряженным. - Для корня si кратности k исходная дробь может быть представлена в виде ; данному корню соответствуют k дробей вида , коэффициенты которых определяются по формуле . Пример. Декомпозиция дроби. Рассматривается та же дробь, имеющая три корня: s0 = 0, s1 = -2 и s2 = -3. Для корня s0 = 0 имеем B(s) = 2.s + 12, A1(s) = s2 + 5s + 6 , . Для корня s1 = -2 имеем A’(s) = 3.s2 + 10.s + 6 и . Для корня s2 = -3 имеем аналогично . Видно, что коэффициенты Mi, полученные разными методами, совпадают. Пример. Случай обратного преобразования Лапласа при наличии комплексных корней. Изображение выходного сигнала имеет вид . Корни знаменателя включают нулевой корень, действительный и пару комплексных корней: s0 = 0; s1 = - 2,54; s2,3 = - 0,18  j*1,20. Изображение Y(s) разбивается на сумму четырех дробей: . Тогда оригинал y(t), согласно таблицам 1.1 и 1.2, имеет вид y(t) = y0(t) + y1(t) + y2,3(t) = M0 + + 2 еt [C . cos(.t) - D . sin(.t)], где  и  - действительная и мнимая части пары комплексных корней s2,3, C и D – действительная и мнимая части пары коэффициентов М2 и М3. Для корня s0 = 0: , , y0(t) = M0 = 0,85. Для корня s1 = -2,54: , , , y1(t) = . Для корней s2,3 = -0,18  j*1,20: , , , y2,3(t) =2 е-0,18t [-0,34 cos(1,20 t) - 0,24 sin(1,20 t)]. В итоге получаем оригинал: y(t) = 0,85 – 0,18 е-2,54 t – 2 е-0,18 t [0,34 cos(1,20 t) + 0,24 sin(1,20 t)]. 2.6 Передаточные функции 2.6.1 Определение передаточной функции Преобразование ДУ по Лапласу дает возможность ввести удобное понятие передаточной функции, характеризующей динамические свойства системы. Например, операторное уравнение 3s2Y(s) + 4sY(s) + Y(s) = 2sX(s) + 4X(s) можно преобразовать, вынеся X(s) и Y(s) за скобки и поделив друг на друга: Y(s)*(3s2 + 4s + 1) = X(s)*(2s + 4) . Полученное выражение называется передаточной функцией. Передаточной функцией называется отношение изображения выходного воздействия Y(s) к изображению входного X(s) при нулевых начальных условиях. (2.4) Передаточная функция является дробно-рациональной функцией комплексной переменной: , где B(s) = b0 + b1s + b2 s2 + … + bm sm - полином числителя, А(s) = a0 + a1s + a2 s2 + … + an sn - полином знаменателя. Передаточная функция имеет порядок, который определяется порядком полинома знаменателя (n). Из (2.4) следует, что изображение выходного сигнала можно найти как Y(s) = W(s)*X(s). Так как передаточная функция системы полностью определяет ее динамические свойства, то первоначальная задача расчета АСР сводится к определению ее передаточной функции. 2.6.2 Примеры типовых звеньев Звеном системы называется ее элемент, обладающий определенными свойствами в динамическом отношении. Звенья систем регулирования могут иметь разную физическую природу (электрические, пневматические, механические и др. звенья), но описываться одинаковыми ДУ, а соотношение входных и выходных сигналов в звеньях описываться одинаковыми передаточными функциями. В ТАУ выделяют группу простейших звеньев, которые принято называть типовыми. Статические и динамические характеристики типовых звеньев изучены достаточно полно. Типовые звенья широко используются при определении динамических характеристик объектов управления. Например, зная переходную характеристику, построенную с помощью самопишущего прибора, часто можно определить, к какому типу звеньев относится объект управления, а следовательно, его передаточную функцию, дифференциальное уравнение и т.д., т.е. модель объекта. Типовые звенья Любое сложное звено может быть представлено как соединение простейших звеньев. К простейшим типовым звеньям относятся: • усилительное, • инерционное (апериодическое 1-го порядка), • интегрирующие (реальное и идеальное), • дифференцирующие (реальное и идеальное), • апериодическое 2-го порядка, • колебательное, • запаздывающее. 1) Усилительное звено. Звено усиливает входной сигнал в К раз. Уравнение звена у = К*х, передаточная функция W(s) = К. Параметр К называется коэффициентом усиления. Выходной сигнал такого звена в точности повторяет входной сигнал, усиленный в К раз (см. рисунок 1.18). у = K.x. При ступенчатом воздействии h(t) = K. Примерами таких звеньев являются: механические передачи, датчики, безынерционные усилители и др. 2) Интегрирующее. 2.1) Идеальное интегрирующее. Выходная величина идеального интегрирующего звена пропорциональна интегралу входной величины: ; W(s) = При подаче на вход звена ступенчатого воздействия x(t) = 1 выходной сигнал постоянно возрастает (см. рисунок 1.19): h(t) = K.t. Это звено астатическое, т.е. не имеет установившегося режима. Примером такого звена может служить емкость, наполняемая жидкостью. Входной параметр – расход поступающей жидкости, выходной - уровень. Изначально емкость пуста и при отсутствии расхода уровень равен нулю, но если включить подачу жидкости, уровень начинает равномерно увеличиваться. 2.2) Реальное интегрирующее. Передаточная функция этого звена имеет вид W(s) = . Переходная характеристика в отличие от идеального звена является кривой (см. рис. 1.20): h(t) = K.(t – T) + K.T.e -t/T. Примером интегрирующего звена является двигатель постоянного тока с независимым возбуждением, если в качестве входного воздействия принять напряжение питания статора, а выходного - угол поворота ротора. Если напряжение на двигатель не подается, то ротор не двигается и угол его поворота можно принять равным нулю. При подаче напряжения ротор начинает раскручиваться, а угол его поворота сначала медленно вследствие инерции, а затем быстрее увеличиваться до достижения определенной скорости вращения. 3) Дифференцирующее. 3.1) Идеальное дифференцирующее. Выходная величина пропорциональна производной по времени от входной: ; W(s) = K*s При ступенчатом входном сигнале выходной сигнал представляет собой импульс (-функцию): h(t) = K.(t). 3.2) Реальное дифференцирующее. Идеальные дифференцирующие звенья физически не реализуемы. Большинство объектов, которые представляют собой дифференцирующие звенья, относятся к реальным дифференцирующим звеньям, передаточные функции которых имеют вид W(s) = . Переходная характеристика: . Пример звена: электрогенератор. Входной параметр – угол поворота ротора, выходной – напряжение. Если ротор повернуть на некоторый угол, то на клеммах появится напряжение, но если ротор далее не вращать, напряжение снизится до нуля. Резко упасть оно не может вследствие наличия индуктивности у обмотки. 4) Апериодическое (инерционное). Этому звену соответствуют ДУ и ПФ вида ; W(s) = . Определим характер изменения выходной величины этого звена при подаче на вход ступенчатого воздействия величины х0. Изображение ступенчатого воздействия: X(s) = . Тогда изображение выходной величины: Y(s) = W(s) X(s) = = K x0 . Разложим дробь на простые: = + = = - = - Оригинал первой дроби по таблице: L-1{} = 1, второй: L-1{} = . Тогда окончательно получаем y(t) = K x0 (1 - ). Постоянная Т называется постоянной времени. Большинство тепловых объектов являются апериодическими звеньями. Например, при подаче на вход электрической печи напряжения ее температура будет изменяться по аналогичному закону (см. рисунок 1.22). 5) Звенья второго порядка Звенья имеют ДУ и ПФ вида , W(s) = . При подаче на вход ступенчатого воздействия амплитудой х0 переходная кривая будет иметь один из двух видов: апериодический (при Т1  2Т2) или колебательный (при Т1  < 2Т2). В связи с этим выделяют звенья второго порядка: • апериодическое 2-го порядка (Т1  2Т2), • инерционное (Т1  < 2Т2), • консервативное (Т1 = 0). 6) Запаздывающее. Если при подаче на вход объекта некоторого сигнала он реагирует на этот сигнал не моментально, а спустя некоторое время, то говорят, что объект обладает запаздыванием. Запаздывание – это интервал времени от момента изменения входного сигнала до начала изменения выходного. Запаздывающее звено – это звено, у которого выходная величина у в точности повторяет входную величину х с некоторым запаздыванием : y(t) = x(t - ). Передаточная функция звена: W(s) = e-s. Примеры запаздываний: движение жидкости по трубопроводу (сколько жидкости было закачано в начале трубопровода, столько ее выйдет в конце, но через некоторое время, пока жидкость движется по трубе), движение груза по конвейеру (запаздывание определяется длиной конвейера и скоростью движения ленты) и т.д. 2.6.3 Соединения звеньев Поскольку исследуемый объект в целях упрощения анализа функционирования разбит нами на звенья, то после определения передаточных функций для каждого звена встает задача объединения их в одну передаточную функцию объекта. Вид передаточной функции объекта зависит от последовательности соединения звеньев: 1) Последовательное соединение. Wоб = W1.W2.W3… При последовательном соединении звеньев их передаточные функции перемножаются. 2) Параллельное соединение. Wоб = W1 + W2 + W3 + … При параллельном соединении звеньев их передаточные функции складываются. 3) Обратная связь Передаточная функция по заданию (х): «+» соответствует отрицательной ОС, «-» - положительной. Для определения передаточных функций объектов, имеющих более сложные соединения звеньев, используют либо последовательное укрупнение схемы, либо преобразуют по формуле Мезона [26]. 2.6.4 Передаточные функции АСР Для исследования и расчета структурную схему АСР путем эквивалентных преобразований приводят к простейшему стандартному виду «объект - регулятор» (см. рисунок 1.27). Практически все инженерные методы расчета и определения параметров настройки регуляторов применены для такой стандартной структуры. В общем случае любая одномерная АСР с главной обратной связью путем постепенного укрупнения звеньев может быть приведена к такому виду. Если выход системы у не подавать на ее вход, то получается разомкнутая система регулирования, передаточная функция которой определяется как произведение: W = Wp.Wy (Wp - ПФ регулятора, Wy - ПФ объекта управления). То есть последовательность звеньев Wp и Wy может быть заменена одним звеном с W. Передаточную функцию замкнутой системы принято обозначать как Ф(s). Она может быть выражена через W: Фз(s) = = . (далее будем рассматривать только системы с обратной отрицательной связью, поскольку они используются в подавляющем большинстве АСР). Данная передаточная функция Фз(s) определяет зависимость у от х и называется передаточной функцией замкнутой системы по каналу задающего воздействия (по заданию). Для АСР существуют также передаточные функции по другим каналам: Фe(s) = = - по ошибке, Фв(s) = = - по возмущению, где Wу.в.(s) – передаточная функция объекта управления по каналу передачи возмущающего воздействия. В отношении учета возмущения возможны два варианта: - возмущение оказывает аддитивное влияние на управляющее воздействие (см. рисунок 1.29,а); - возмущение влияет на измерения регулируемого параметра (см. рисунок 1.29,б). Примером первого варианта может быть влияние колебаний напряжения в сети на напряжение, подаваемое регулятором на нагревательный элемент объекта. Пример второго варианта: погрешности при измерениях регулируемого параметра вследствие изменения температуры окружающей среды. Wу.в. – модель влияния окружающей среды на измерения. а) б) Рисунок 1.29 Для первого варианта передаточная функция Wу.в. принимается равной Wу, для второго – как правило, на схеме она выделена в отдельное звено. Поскольку передаточная функция разомкнутой системы является в общем случае дробно-рациональной функцией вида W = , то передаточные функции замкнутой системы могут быть преобразованы: Фз(s) = = =, Фe(s) == =, где D = A + B. Как видно, эти передаточные функции отличаются только выражениями числителей. Выражение знаменателя называется характеристическим выражением замкнутой системы и обозначается как Dз(s) = A(s) + B(s), в то время как выражение, находящееся в знаменателе передаточной функции разомкнутой системы W, называется характеристическим выражением разомкнутой системы А(s). Пример. Определение передаточных функций АСР. Структура АСР представлена на рисунке 1.30. Требуется определить передаточные функции регулятора, объекта, разомкнутой системы, замкнутой системы и характеристические выражения. Рисунок 1.30 Параметры K0 = 1, K1 = 3, K2 = 1,5, K4 = 2, K5 = 0,5. В структурной схеме АСР звенья, соответствующие регулирующему устройству, стоят перед звеньями объекта управления и генерируют управляющее воздействие на объект u. По схеме видно, что к схеме регулятора относятся звенья 1, 2 и 3, а к схеме объекта – звенья 4 и 5. Учитывая, что звенья 1, 2 и 3 соединены параллельно, получаем передаточную функцию регулятора как сумму передаточных функций звеньев: . Звенья 4 и 5 соединены последовательно, поэтому передаточная функция объекта управления определяется как произведение передаточных функций звеньев: . Передаточная функция разомкнутой системы: , откуда видно, что числитель В(s) = 1,5.s2 + 3.s + 1, знаменатель (он же характеристический полином разомкнутой системы) А(s) = 2.s3 + 3.s2 + s. Тогда характеристический полином замкнутой системы равен: D(s) = A(s) + B(s) = 2.s3 + 3.s2 + s + 1,5.s2 + 3.s + 1 = 2.s3 + 4,5.s2 + 4.s + 1. Передаточные функции замкнутой системы: по заданию , по ошибке . При определении передаточной функции по возмущению принимается Wу.в. = Wоу. Тогда .  2.6.5 Определение параметров передаточной функции объекта по переходной кривой Процесс получения передаточной функции объекта, исходя из данных о переходном процессе, называется идентификацией объекта. Предположим, что при подаче на вход некоторого объекта ступенчатого воздействия была получена переходная характеристика (см. рисунок 1.31). Требуется определить вид и параметры передаточной функции. Предположим, что передаточная функция имеет вид (инерционное звено с запаздыванием). Параметры передаточной функции: К - коэффициент усиления, Т - постоянная времени,  - запаздывание. Коэффициентом усиления называется величина, показывающая, во сколько раз данное звено усиливает входной сигнал (в установившемся режиме), и равная отношению выходной величины у в установившемся режиме ко входной величине х: , Установившееся значение выходной величины ууст - это значение у при t  . Запаздыванием  называется промежуток времени от момента изменения входной величины х до начала изменения выходной величины у. Постоянная времени Т может быть определена несколькими методами в зависимости от вида передаточной функции. Для рассматриваемой передаточной функции 1-го порядка Т определяется наиболее просто: сначала проводится касательная к точке перегиба, затем находятся точки пересечения с осью времени и асимптотой yуст; время Т определяется как интервал времени между этими точками. В случае, если на графике между точкой перегиба имеется вогнутость, определяется дополнительное запаздывание доп, которое прибавляется к основному:  =  + доп. 2.7 Частотные характеристики 2.7.1 Определение частотных характеристик Известно, что динамические процессы могут быть представлены частотными характеристиками (ЧХ) путем разложения функции в ряд Фурье. Предположим, имеется некоторый объект и требуется определить его ЧХ. При экспериментальном снятии ЧХ на вход объекта подается синусоидальный сигнал с амплитудой Авх = 1 и некоторой частотой , т.е. x(t) = Авхsin(t) = sin(t). Тогда после прохождения переходных процессов на выходе мы будем также иметь синусоидальный сигнал той же частоты , но другой амплитуды Авых и фазы : у(t) = Авыхsin(t + ) При разных значениях  величины Авых и , как правило, также будут различными. Эта зависимость амплитуды и фазы от частоты называется частотной характеристикой. Виды ЧХ: • АФХ – амплитудно-фазовая характеристика - зависимость амплитуды и фазы выходного сигнала от частоты входного (изображается на комплексной плоскости); • АЧХ – амплитудно-частотная характеристика - зависимость амплитуды выходного сигнала от частоты входного: А(); • ФЧХ – фазо-частотная характеристика - зависимость фазы выходного сигнала от частоты входного: () ; • ЛАХ, ЛАЧХ - логарифмические АЧХ, т.е. построенные в логарифмических координатах. На комплексной плоскости входная величина x  = Авх.sin(t) для каждого момента времени ti определяется вектором х на комплексной плоскости. Этот вектор имеет длину, равную Авх, и отложен под углом ti к действительной оси (Re - действительная ось, Im - мнимая ось). Тогда величину х можно записать в комплексной форме (t) = Авх(cos(t) + j.sin(t)), где j = - мнимая единица. Или, если использовать формулу Эйлера ej = cos + j.sin, то можно записать (t) = Авх.ejt. Выходной сигнал y(t) можно аналогично представить как вектор (t) = Авых.ej(t+). Рассмотрим связь передаточной функции и частотной характеристики. Определим производные по Лапласу: у  Y у’  sY у”  s2Y и т.д. Определим производные ЧХ: у’(t) = j Авыхеj(t + ) = j у, у”(t) = (j)2 Авыхеj(t + ) = (j)2 у и т.д. Отсюда видно соответствие s = j. Вывод: частотные характеристики могут быть построены по передаточным функциям путем замены s = j. Для построения АЧХ и ФЧХ используются формулы , , где Re() и Im() – соответственно вещественная и мнимая части выражения для АФХ. Формулы получения АФХ по АЧХ и ФЧХ: Re() = A() . cos (), Im() = A() . sin (). График АЧХ всегда расположен в одной четверти, т.к. частота  > 0 и амплитуда А > 0. График ФЧХ может располагаться в двух четвертях, т.е. фаза  может быть как положительной, так и отрицательной. График АФХ может проходить по всем четвертям. При графическом построении АЧХ по известной АФХ на кривой АФХ выделяются несколько ключевых точек, соответствующих определенным частотам. Далее измеряются расстояния от начала координат до каждой точки и на графике АЧХ откладываются: по вертикали – измеренные расстояния, по горизонтали – частоты. Построение АФХ производится аналогично, но измеряются не расстояния, а углы в градусах или радианах. Для графического построения АФХ необходимо знать вид АЧХ и ФЧХ. При этом на АЧХ и ФЧХ выделяются несколько точек, соответствующих некоторым частотам. Для каждой частоты по АЧХ определяется амплитуда А, а по ФЧХ – фаза . Каждой частоте соответствует точка на АФХ, расстояние до которой от начала координат равно А, а угол относительно положительной полуоси Re равен . Отмеченные точки соединяются кривой. Пример: . При s = j имеем = = = = = - j = Re() + j Im(), т.е. Re() = - выражение для действительной части АФХ, Im() = - выражение для мнимой части АФХ (обратите внимание, что в данном выражение мнимая единица j отсутствует). Изменяя  от 0 до , можно построить АФХ (см. рисунок 1.34, а). По формулам определяются выражения для АЧХ и ФЧХ: , . Рисунок 1.34 – Примеры ЧХ АЧХ и ФЧХ также строится путем изменения  от 0 до  (см. рисунок 1.34, б и в).  На рисунке 1.35 изображены АФХ типовых звеньев, рассмотренных ранее в п. 2.6.2. Рисунок 1.35 – АФХ типовых звеньев 2.7.2 Логарифмические частотные характеристики Логарифмические частотные характеристики (ЛЧХ) используются довольно часто для описания динамических параметров различных устройств. Существуют два основных вида ЛЧХ, которые, как правило, используются совместно и изображаются в виде графиков: 1) ЛАЧХ - логарифмическая АЧХ. Формула для построения ЛАЧХ: L() = 20.lg Aвых(). Единица измерения - децибел (дБ). На графике ЛАЧХ по оси абсцисс откладывается частота в логарифмическом масштабе. Это означает, что равным величинам отрезков по оси  соответствуют кратные значения частоты. Для ЛЧХ кратность = 10. По оси ординат откладываются значения L() в обычном масштабе. 2) ЛФЧХ - логарифмическая ФЧХ. Представляет собой ФЧХ, у которой ось частоты  проградуирована в логарифмическом масштабе в соответствии с ЛАЧХ. По оси ординат откладываются фазы . Примеры ЛЧХ 1 Фильтр низких частот (ФНЧ) ЛАЧХ ЛФЧХ Пример цепи Фильтр низких частот предназначен для подавления высокочастотных воздействий. 2 Фильтр высоких частот (ФВЧ) ЛАЧХ ЛФЧХ Пример цепи Фильтр высоких частот предназначен для подавления низкочастотных воздействий. 3 Заградительный фильтр. Заградительный фильтр подавляет только определенный диапазон частот (см. рисунок 1.39). ЛАЧХ и ЛФЧХ Пример цепи . 3 Качество процессов управления 3.1 Критерии устойчивости 3.1.1 Понятие устойчивости линейных систем Важным показателем АСР является устойчивость, поскольку основное ее назначение заключается в поддержании заданного постоянного значения регулируемого параметра или изменении его по определенному закону. При отклонении регулируемого параметра от заданной величины (например, под действием возмущения или изменения задания) регулятор воздействует на систему таким образом, чтобы ликвидировать это отклонение. Если система в результате этого воздействия возвращается в исходное состояние или переходит в другое равновесное состояние, то такая система называется устойчивой. Если же возникают колебания со все возрастающей амплитудой или происходит монотонное увеличение ошибки е, то система называется неустойчивой. Необходимое и достаточное условие устойчивости формулируется следующим образом: Звено или система называются устойчивыми, если переходная составляющая с течением времени стремится к нулю: . Если выходной сигнал звена или системы y(t) рассматривать как сумму двух составляющих y(t) = yуст + уп(t), где - установившееся значение y(t), уп(t) – переходная составляющая, то уп(t) = y(t) – yуст. Рисунок 1.40 Если уп(t) с течением времени стремится к бесконечности, звено или система называются неустойчивыми. Другими словами: . Примеры переходных процессов для каждого случая приведены на рисунке 1.41. Рисунок 1.41 Для того, чтобы определить, устойчива система или нет, используются критерии устойчивости: 1) корневой критерий; 2) критерий Стодола; 3) критерий Гурвица; 4) критерий Найквиста; 5) критерий Михайлова и др. Первые два критерия являются необходимыми критериями устойчивости отдельных звеньев и разомкнутых систем, однако не являются достаточными для однозначного определения устойчивости. Критерий Гурвица является алгебраическим и может быть использован для определения устойчивости как отдельных звеньев, так и замкнутых систем без запаздывания. При этом он позволяет обойтись без определения корней характеристического полинома, который может иметь достаточно большую степень. Последние два критерия относятся к группе частотных критериев, поскольку определяют устойчивость замкнутых систем по их частотным характеристикам. Их особенностью является возможность применения к замкнутым системам с запаздыванием, которыми является подавляющее большинство систем управления. 3.1.2 Корневой критерий Функция yп(t) является решением однородного дифференциального уравнения, поэтому устойчивость системы однозначно зависит от корней характеристического уравнения. Если корни действительные, т.е. si = i, то , где n – число корней характеристического уравнения (степень уравнения), Mi – коэффициенты, si – корни. Каждая составляющая функции yп(t) является экспонентой вида . При этом если si > 0, то экспонента расходится (), если si < 0 - сходится (). В случае, если среди корней характеристического уравнения имеются комплексные, т.е. si = i  ji, то каждой паре комплексно сопряженных корней соответствует составляющая , где ci и di – коэффициенты. Данная составляющая представляет собой синусоиду, сходящуюся при i < 0 и расходящуюся при i > 0 (при i = 0 синусоида имеет постоянную амплитуду). Для устойчивости системы необходимо и достаточно, чтобы все составляющие функции yп.i(t) стремились с течением времени к нулю. Если хотя бы одна составляющая функции расходится, то расходится и вся функция, т.е. система в данном случае неустойчива. Из сказанного следует, что для устойчивости линейной системы необходимо и достаточно, чтобы корни характеристического полинома имели отрицательные действительные части. Критерий, определяющий устойчивость системы по значениям корней характеристического полинома, получил название корневого. Для определения устойчивости необходимо путем приравнивания знаменателя передаточной функции (характеристического полинома) к нулю получить характеристическое уравнение и его корни. Корни характеристического уравнения могут быть как действительные, так и комплексные и для наглядности могут быть изображены на комплексной плоскости (плоскости корней). На рисунке 1.42 символом обозначены корни некоторого уравнения. Виды корней характеристического уравнения: - действительные: положительные (корень 1), отрицательные (корень 2) и нулевые (корень 3); - комплексные: комплексные сопряженные (4) и чисто мнимые (5). По кратности корни бывают: одиночные (1, 2, 3), сопряженные (4, 5): si =   j и кратные (6) si = si+1 = … Корневой критерий формулируется следующим образом: Линейная АСР устойчива, если все корни характеристического уравнения лежат в левой полуплоскости (она называется также областью устойчивости). Если хотя бы один корень находится на мнимой оси, которая является границей устойчивости, то говорят, что система находится на границе устойчивости. Если хотя бы один корень находится в правой полуплоскости (независимо от числа корней в левой), то система является неустойчивой. Иными словами, все действительные корни и действительные части комплексных корней должны быть отрицательны. В противном случае система неустойчива. Пример. Передаточная функция системы имеет вид . Характеристическое уравнение s3 + 2s2 + 2,25s + 1.25 = 0 имеет три корня: s1 = -1; s2 = -0,5 + j; s3 = -0,5 - j. Действительные части всех корней отрицательны, следовательно, система устойчива.  3.1.3 Критерий Стодолы Этот критерий является следствием из предыдущего и формулируется следующим образом: Линейная система устойчива, если все коэффициенты характеристического полинома положительны. То есть, передаточная функция из примера по критерию Стодола соответствует устойчивой системе. 3.1.4 Критерий Гурвица Критерий Гурвица, как и критерий Стодола, определяет устойчивость по характеристическому полиному системы без непосредственного вычисления его корней. Однако критерий Стодола является необходимым критерием устойчивости, но не является достаточным. То есть, если по критерию Стодола система неустойчива, то она действительно является неустойчивой, если по критерию система устойчива, то для подтверждения ее устойчивости требуются дополнительные расчеты. Например, характеристический полином s3 + s2 + 2s + 8 по критерию Стодола соответствует устойчивой системе, однако корни этого полинома равны s1 = -2, s2,3 = 0,5  j1,94. То есть система фактически является неустойчивой, хотя коэффициенты полинома положительны. Критерий Гурвица дает необходимое и достаточное условие устойчивости линейных систем. Исходной информацией для данного критерия является характеристический полином системы: разомкнутой A(s) или замкнутой D(s) – в зависимости от того, какая система анализируется. Для определения устойчивости по Гурвицу строится матрица таким образом, чтобы по главной диагонали были расположены коэффициенты ХПЗС с an+1 по a0. Справа и слева от нее записываются коэффициенты с индексами через 2 (a0, a2, a4… или a1, a3, a5 …). Тогда для устойчивой системы необходимо и достаточно, чтобы определитель и все главные диагональные миноры матрицы были больше нуля. Если хотя бы один определитель будет равен нулю, то система будет находиться на границе устойчивости. Если хотя бы один определитель будет отрицателен, то система неустойчива независимо от числа положительных или нулевых определителей. Пример. Дана передаточная функция разомкнутой системы . Требуется определить устойчивость замкнутой системы по критерию Гурвица. Для этого определяется ХПЗС: D(s) = A(s) + B(s) = 2s4 + 3s3 + s2 + 2s3 + 9s2 + 6s + 1 = 2s4 + 5s3 + 10s2 + 6s + 1. Поскольку степень ХПЗС равна n = 4, то матрица будет иметь размер 4х4. Коэффициенты ХПЗС равны а4 = 2, а3 = 5, а2 = 10, а1 = 6, а0 = 1. Матрица имеет вид (обратите внимание на сходство строк матрицы: 1 с 3 и 2 с 4). Определители (диагональные миноры матрицы): Δ1 = 5 > 0, , Δ4 = 1* Δ3 = 1*209 > 0. Поскольку все определители положительны, то АСР устойчива. ♦ 3.1.5 Критерий Михайлова Описанные выше критерии устойчивости не работают, если передаточная функция системы имеет запаздывание, то есть может быть записана в виде , где  - запаздывание. В этом случае характеристическое выражение замкнутой системы полиномом не является и его корни определить невозможно. Для определения устойчивости в данном случае используются частотные критерии Михайлова и Найквиста. Порядок применения критерия Михайлова: 1) Записывается характеристическое выражение замкнутой системы: Dз(s) = A(s) + B(s).e-s. 2) Подставляется s = j: Dз(j) =Re() + Im(). 3) Записывается уравнение годографа Михайлова Dз(j) и строится кривая на комплексной плоскости. Для устойчивой АСР необходимо и достаточно, чтобы годограф Михайлова (см. рисунок 1.43), начинаясь при  = 0 на положительной вещественной полуоси, обходил последовательно в положительном направлении (против часовой стрелки) при возрастании  от 0 до  n квадрантов, где n - степень характеристического полинома. Если годограф Михайлова проходит через начало координат, то говорят, что система находится на границе устойчивости. Пример. Характеристический полином замкнутой системы имеет вид (см. предыдущий пример): D(s) = 2s4 + 5s3 + 10s2 + 6s + 1. После подстановки s = j получается выражение для годографа Михайлова: D(j) = 2(j)4 + 5(j)3 + 10(j)2 + 6 j + 1 = 24 - 5j3 - 102 + 6 j + 1 = = ReD() + j.ImD(), где ReD() = 24 - 102 + 1 – действительная часть выражения годографа, ImD() = - 53+ 6 - мнимая часть. Далее, варьируя частоту  от 0 до бесконечности, рассчитываются точки годографа (см. таблицу 1.3) и на комплексной плоскости строится кривая (см. рисунок 1.44). Таблица 1.3  ReD() ImD() 1 0,1 0,1 0,9002 0,5 0,2 0,6032 1 0,5 -1,375 2 1 -7 5 2 -7 10 2,5 16,625   - Рисунок 1.44 Годограф Михайлова начинается на положительной действительной полуоси и последовательно обходит четыре квадранта (степень характеристического полинома также равна n = 4), следовательно, система устойчива. Это подтверждает результат, полученный в предыдущем примере.  3.1.6 Критерий Найквиста Данный критерий определяет устойчивость по частотным характеристикам системы. Для построения частотных характеристик, например, АФХ требуется подстановка s = j в передаточную функцию системы, которая, как правило, представляет собой дробно-рациональную функцию. Поэтому данный критерий более сложен для ручного расчета по сравнению с критерием Михайлова. Последовательность: 1) Определяется передаточная функция разомкнутой системы . 2) Определяется число правых корней m. 3) Подставляется s = j: W(j). 4) Строится АФХ разомкнутой системы. Для устойчивости АСР необходимо и достаточно, чтобы при увеличении  от 0 до  АФХ W(j) m раз полуохватывала точку (-1; 0), где m - число правых корней разомкнутой системы, т.е. корней si > 0. Если АФХ проходит через точку (-1; 0), то замкнутая система находится на границе устойчивости (см. рисунок 1.45). В случае, если характеристическое уравнение разомкнутой системы A(s) = 0 правых корней не имеет (т.е. m = 0), то критерий можно переформулировать: замкнутая система устойчива, если АФХ разомкнутой системы W(j) не охватывает точку (-1; 0), в противном случае система неустойчива; если проходит через нее, то на границе устойчивости. Пример. Пусть передаточная функция разомкнутой системы имеет вид . Для построения АФХ разомкнутой системы делается подстановка s = j* в передаточную функцию: , где - действительная часть АФХ, - мнимая часть, а = (1 – 2*2)2 + (3,53 – 4*)2 – знаменатель. Таблица 1.4  ReD() ImD() 5 0,4 1,443261 -2,92048 0,8 -0,67933 -3,41604 1,2 -1,84607 1,225475 1,6 -0,25765 0,496282 2 -0,07795 0,222717 2,4 -0,03257 0,120084  Рисунок 1.46 По полученным формулам строится АФХ (см. таблицу 1.4 и рисунок 1.46). Характеристическое уравнение правых корней не имеет, АФХ охватывает точку (-1; 0), следовательно, замкнутая система неустойчива.  3.2 Показатели качества Если исследуемая АСР устойчива, то может возникнуть вопрос о том, насколько качественно происходит регулирование в этой системе и удовлетворяет ли оно технологическим требованиям. На практике качество регулирования может быть определено визуально по графику переходной кривой, однако имеются точные методы, дающие конкретные числовые значения. Показатели качества разбиты на 4 группы: 1) прямые - определяемые непосредственно по кривой переходного процесса; 2) корневые - определяемые по корням характеристического полинома; 3) частотные - по частотным характеристикам; 4) интегральные - получаемые путем интегрирования функций. Корневые, частотные и интегральные критерии качества называют также косвенными, поскольку они в отличие от прямых определяют качество системы не непосредственно по переходной кривой, а по косвенным характеристикам (передаточным функциям, ЧХ и т.д.). В этом заключается достоинство данных критериев: они не требуют построения переходной кривой. Однако информация для косвенных критериев на практике не всегда доступна (не всегда известна, например, передаточная функция рассматриваемого объекта). 3.2.1 Прямые показатели качества К ним относятся: степень затухания , перерегулирование , статическая ошибка ест, время регулирования tp и др. Предположим, переходная кривая, снятая на объекте, имеет колебательный вид (см. рисунок 1.47). По ней определяется установившееся значение выходной величины . Степень затухания  определяется по формуле , где А1 и А3 - соответственно 1-я и 3-я амплитуды переходной кривой. Перерегулирование  = , где ymax - максимум переходной кривой. Статическая ошибка ест = х - ууст, где х - входная величина. Время достижения первого максимума tм определяется по графику. Время регулирования tp определяется следующим образом: определяется допустимое отклонение  и строится «трубка» толщиной 2. Время tp соответствует последней точке пересечения y(t) с данной границей. То есть время, когда колебания регулируемой величины перестают превышать допустимого отклонения от установившегося значения. Обычно допустимое отклонение принимается равным 5 % от установившегося значения:  = 5% ууст. Однако оно может быть и другим. Например, если ууст = 0, то допустимое отклонение принимается равным 5 % от амплитуды А1. Оптимальные значения времени регулирования, времени достижения первого максимума, перерегулирования и статической ошибки соответствуют минимальным значениям (чем меньше, тем лучше). Степень затухания, наоборот, должна быть максимально большой (максимум  равен 1). 3.2.2 Корневые показатели качества К ним относятся: степень колебательности m, степень устойчивости  и др. Корневые показатели не требуют построения переходных кривых, поскольку определяются по корням характеристического полинома. Для этого корни полинома откладываются на комплексной плоскости и по ним определяются: Степень устойчивости  определяется как граница, правее которой корней нет, т.е.  = min, где Re(si) - действительная часть корня si. Пример определения степени устойчивости показан на рисунке 1.48. Линии построения показаны пунктиром. Степень устойчивости на рисунке определяется по самым правым корням (корни s3 и s4). Степень колебательности m рассчитывается через угол : m = tg . Для определения  проводятся два луча, которые ограничивают все корни на комплексной плоскости.  - угол между этими лучами и мнимой осью. Степень колебательности может быть определена также по формуле m = min . Если в системе нет комплексных корней, т.е. все корни лежат на действительной оси, то колебательность в системе отсутствует и m = 90°. При наличии чисто мнимых корней система находится на границе устойчивости, для нее m = 0. На рисунке 1.48 степень колебательности определена по корням s1 и s2. Степень устойчивости и степень колебательности для «хорошей» системы должны быть максимально большими. Значения m = 0 и  = 0 соответствуют границе устойчивости. Пример. Пусть передаточная функция разомкнутой системы имеет вид . Для определения корней характеристического полинома приравниваем его к нулю и решаем полученное уравнение. Корни: s1 = - 0,27; s2 = - 0,15 + j*1,02; s3 = - 0,15 - j*1,02. Степень колебательности определяется как минимум: , Степень устойчивости: 0,15. 3.2.3 Частотные показатели качества Для определения частотных показателей качества требуется построение АФХ разомкнутой системы и АЧХ замкнутой системы. По АФХ определяются запасы:  - по амплитуде,  - по фазе. Запас  определяется по точке пересечения АФХ с отрицательной действительной полуосью (см. рисунок 1.49). Для определения  строится окружность единичного радиуса с центром в начале координат. Запас  определяется по точке пересечения с этой окружностью. По АЧХ замкнутой системы определяются показатели колебательности по заданию М и ошибке МЕ как максимумы соответственно АЧХ по заданию и АЧХ по ошибке. Рисунок 1.50 Для построения АЧХ по заданию необходимо определить передаточную функцию замкнутой системы по заданию Фз(s), сделать подстановку s = j. и построить по ней АЧХ (см. рисунок 1.50, а). Построение АЧХ по ошибке аналогично, но соответственно берется передаточная функция по ошибке ФЕ(s) (см. рисунок 1.50, б). Значениям максимумов АЧХ соответствуют резонансные частоты р (для АЧХ по заданию) и Е (для АЧХ по ошибке). К показателям колебательности, а также к запасу по амплитуде предъявляются требования минимальности. Запас по фазе, наоборот, должен быть максимально большим. 3.2.4. Интегральные показатели качества Интегральные показатели качества определяются путем интегрирования (суммирования) некоторых функций (переходных процессов или других показателей качества). Разновидностью интегральных показателей качества является интегральный квадратичный критерий I0. Если рассмотреть два переходных процесса в некоторой АСР (см. рисунок 1.51), то визуально можно определить, что первый процесс обладает более высоким качеством. Численно это можно охарактеризовать площадью между соответствующей кривой и прямой y = yуст. Для первой кривой эта площадь (площадь S1) меньше, чем для второй (площадь S2), поэтому первый процесс лучше. Данная площадь определяется как интеграл и может быть использована как интегральный показатель качества. Если учесть, что для АСР установившееся значение ууст должно в идеале совпадать с заданным х, а выражение х – у(t) есть выражение ошибки регулирования e(t), то поиск S сводится к интегралу ошибки. Если в системе имеется статическая ошибка ест = х – ууст  0, то площадь S получается бесконечной. Для учета этого фактора интегрируется не сама ошибка, а ее переходная составляющая , где еп(t) = e(t) – eуст – переходная составляющая ошибки. Чаще используется интегральный квадратичный критерий , поскольку переходная составляющая на определенных интервалах времени может принимать отрицательные значения, а следовательно, вычитаться из интегральной величины, что приводит к неверному значению площади. 3.2.5 Связи между показателями качества Описанные выше показатели качества связаны между собой примерными соотношениями, справедливыми только для систем не выше второго порядка: ; tp = ; ; M = . 4. Настройка регуляторов 4.1. Типовые законы регулирования Для регулирования объектами управления, как правило, используют типовые регуляторы, которые можно разделить на аналоговые и дискретные. К дискретным регуляторам относятся импульсные, релейные и цифровые. Аналоговые реализуют типовые законы регулирования, названия которых соответствуют названиям типовых звеньев. Входным сигналом для аналоговых регуляторов является величина ошибки регулирования, которая определяется как разность между заданным и текущим значениями регулируемого параметра (e = х – у). Выходным сигналом является величина управляющего воздействия u, подаваемая на объект управления. Преобразование входного сигнала в выходной производится согласно типовым законам регулирования, рассматриваемым ниже. 1) П-закон (пропорциональное регулирование). Согласно закон пропорционального регулирования управляющее воздействие должно быть пропорционально величине ошибки. Например, если регулируемый параметр начинает отклоняться от заданного значения, то воздействие на объект следует увеличивать в соответствующую сторону. Коэффициент пропорциональности часто обозначают как K1: u = K1.e. Тогда передаточная функция П-регулятора имеет вид WП(s) = K1. Если величина ошибки стала равна, например, единице, то управляющее воздействие станет равным K1 (см. рисунок 1.52). Рисунок 1.52 Примером системы с П-регулятором может служить система автоматического наполнения емкости (сливной бачок). На рисунке 1.53 обозначены: L и Lзад – текущий уровень в емкости (регулируемая величина) и его заданная величина, Fпр и Fсток – расходы жидкости притекающей и стекающей из емкости. Управляющим воздействием является Fпр. Fсток – возмущение. Принцип действия понятен из рисунка: при опустошении емкости поплавок через кронштейн открывает задвижку подачи жидкости. Причем, чем больше разница уровней е = Lзад – L, тем ниже поплавок, тем больше открыта задвижка и, соответственно, больше поток жидкости Fпр. По мере наполнения емкости ошибка уменьшается до нуля и, соответственно, уменьшается Fпр до полного прекращения подачи. То есть Fпр = K1.( Lзад – L). Достоинство данного принципа регулирования в быстродействии. Недостаток – в наличии статической ошибки в системе. Например, если жидкость вытекает из емкости постоянно, то уровень всегда будет меньше заданного. 2) И-закон (интегральное регулирование). Управляющее воздействие пропорционально интегралу от ошибки. То есть чем дольше существует отклонение регулируемого параметра от заданного значения, тем больше управляющее воздействие: . Передаточная функция И-регулятора: WИ(s) = . При возникновении ошибки управляющее воздействие начинает увеличиваться со скоростью, пропорциональной величине ошибки. Например, при е = 1 скорость будет равна K0 (см. рисунок 1.54). Рисунок 1.54 Достоинство данного принципа регулирования в отсутствии статической ошибки, т.е. при возникновении ошибки регулятор будет увеличивать управляющее воздействие, пока не добьется заданного значения регулируемой величины. Недостаток – в низком быстродействии. 3) Д-закон (дифференциальное регулирование). Регулирование ведется по величине скорости изменения регулируемой величины: . То есть при быстром отклонении регулирующей величины управляющее воздействие по модулю будет больше. При медленном – меньше. Передаточная функция Д-регулятора: WД(s) = K2 s. Регулятор генерирует управляющее воздействие только при изменении регулируемой величины. Например, если ошибка имеет вид ступенчатого сигнала е = 1, то на выходе такого регулятора будет наблюдаться один импульс (-функция). В этом заключается его недостаток, который обусловил отсутствие практического использования такого регулятора в чистом виде. На практике типовые П-, И- и Д-законы регулирования редко используются в чистом виде. Чаще они комбинируются и реализуются в виде ПИ-регуляторов, ПД-регуляторов, ПИД-регуляторов и др. ПИ-регулятор (пропорционально-интегральный регулятор) представляет собой два параллельно работающих регулятора: П- и И-регуляторы (см. рисунок 1.55). Данное соединение сочетает в себе достоинства обоих регуляторов: быстродействие и отсутствие статической ошибки. ПИ-закон регулирования описывается уравнением и передаточной функцией WПИ(s) = K1 + . То есть регулятор имеет два независимых параметра (настройки): K0 – коэффициент интегральной части и K1 – коэффициент пропорциональной. При возникновении ошибки е = 1 управляющее воздействие изменяется как показано на рисунке 1.56. Рисунок 1.56 ПД-регулятор (пропорционально-дифференциальный регулятор) включает в себя П- и Д-регуляторы (см. рисунок 1.57). Данный закон регулирования описывается уравнением и передаточной функцией: WПД(s) = K1 + K2 s. Данный регулятор обладает самым большим быстродействием, но также и статической ошибкой. Реакция регулятора на единичное ступенчатое изменение ошибки показана на рисунке 1.58. Рисунок 1.58 ПИД-регулятор (пропорционально-интегрально-дифференциальный регулятор) можно представить как соединение трех параллельно работающих регуляторов (см. рисунок 1.59). Закон ПИД-регулирования описывается уравнением: и передаточной функцией WПИД(s) = K1 + + K2 s. ПИД-регулятор в отличие от других имеет три настройки: K0, K1 и K2. ПИД-регулятор используется достаточно часто, поскольку он сочетает в себе достоинства всех трех типовых регуляторов. Реакция регулятора на единичное ступенчатое изменение ошибки показана на рисунке 1.60. Рисунок 1.60 4.2 Определение оптимальных настроек регуляторов Регулятор, включенный в АСР, может иметь несколько настроек, каждая из которых может изменяться в достаточно широких пределах. При этом при определенных значениях настроек система будет управлять объектом в соответствии с технологическими требованиями, при других может привести к неустойчивому состоянию. Поэтому стоит задача, во-первых, определить настройки, соответствующие устойчивой системе, и, во-вторых, выбрать из них оптимальные. Оптимальными настройками регулятора называются настройки, которые соответствуют минимуму (или максимуму) какого-либо показателя качества. Требования к показателям качества устанавливаются непосредственно, исходя из технологических. Чаще всего накладываются требования на время регулирования (минимум) и степень затухания (  зад). Однако, изменяя настройки таким образом, чтобы увеличить степень затухания, мы можем прийти к слишком большому времени регулирования, что нецелесообразно. И наоборот, стремясь уменьшить время регулирования, мы получаем более колебательные процессы с большим значением . Зависимость  от tp в общем случае имеет вид, изображенный на графике (см. рисунок 1.61). Поэтому для определения оптимальных настроек разработан ряд математических методов, среди которых можно выделить: - метод сканирования плоскости настроек, - формульный метод, - метод D-разбиения. Метод сканирования заключается в разбиении области допустимых настроек выбранного регулятора с равным шагом и определении показателей качества для каждого набора настроек в узлах получившейся сетки. После просмотра всех узлов выбираются наборы настроек, соответствующие наилучшим показателям качества. Настройки могут быть уточнены далее также путем сканирования окрестности выбранного узла с более мелким шагом. Формульный метод определения настроек регуляторов используется для быстрой и приближенной оценки значений настроек регуляторов. Если объект управления представляет собой инерционное звено с запаздыванием, т.е. описывается передаточной функцией , где K – коэффициент усиления, Т - постоянная времени,  - запаздывание (см. п. 2.6.5), то настройки П-, И-, ПИ- и ПИД-регуляторов могут быть определены по приведенным в таблице 1.5 формулам в зависимости от того, какой вид переходного процесса требуется получить. Во второй колонке таблицы приведены формулы для апериодического процесса без перерегулирования, в третьей – с перерегулированием 20 %, в четвертой – для процесса с максимальным быстродействием (процесс может быть сильно колебательным). Метод D-разбиения заключается в определении области настроек в пространстве допустимых значений настроек выбранного регулятора, соответствующих области устойчивости или заданному показателю качества. Кривая D-разбиения представляет собой границу устойчивости в пространстве настроек и поэтому строится с использованием какого-либо критерия устойчивости. Построение кривой D-разбиения по методу Гурвица сводится к решению системы неравенств вида i  0, определяющих условие устойчивости. Пример. Определение области устойчивости АСР по методу Гурвица. Структура АСР представлена на рисунке 1.30 (см. п. 2.6.4). Параметры K2 = 1, K4 = 2, K5 = 0,5. Параметры K0 и K1 являются переменными. Требуется записать условие устойчивости относительно K0 и K1. Для записи условия устойчивости в данном примере наиболее удобно воспользоваться критерием Гурвица. Характеристическое уравнение замкнутой системы имеет вид (пример определения характеристического уравнения см. в п. 2.6.4): D(s) = 2.s3 + 4.s2 + (K1 + 1).s + K0. Таблица 1.5 Регулятор Апериодический процесс Процесс с перерегулированием 20 % Процесс с минимальным временем регулирования П И ПИ , , , ПИД , , , , , , Матрица имеет размер 3х3, так как степень D(s) равна 3: . Диагональные миноры матрицы: 1 = 4 > 0, , . Согласно критерию Гурвица система устойчива, если все i > 0. Тогда получаем систему неравенств (1 = 4 уже удовлетворяет этому условию, поэтому далее не учитывается): 2 = 4.K1 + 4 – 2.K0 > 0 K0 < 2.K1 + 2 3 = K0. 2 > 0 K0 > 0 То есть условие устойчивости можно записать как 0 < K0 < 2.K1 + 2. Графически она изображена на рисунке 1.62. Кривая D-разбиения в данном примере представляет собой прямую K0 = 2K1 + 2, выше которой настройки соответствуют неустойчивой системе. Система с настройками, взятыми из области устойчивости, будет устойчива. Для систем с запаздыванием при определении границы устойчивости можно воспользоваться критериями Михайлова или Найквиста. Методика определения границы устойчивости по критерию Михайлова сводится к решению системы уравнений ReD() = 0, ImD () = 0. Это условие границы устойчивости вытекает из требования прохождения годографа Михайлова (для системы, находящейся на границе устойчивости) через начало координат, т.е. точку с координатами (Re = 0, Im = 0). Пример. Определение области устойчивости АСР по критерию Михайлова. Рассмотрим одноконтурную АСР (см. рисунок 1.27), состоящую из ПИ-регулятора с передаточной функцией Wp(s), объекта с передаточной функцией Wоу(s) и отрицательной обратной связи. Передаточные функции имеют вид , . Последовательность расчета соответствует порядку применения критерия (см. п. 3.1.5). Характеристическое выражение замкнутой системы: D(s) = (K1.s + K0).2.e-s + s.(3.s + 1) = 3.s2 + s + 2.(K1.s + K0).e-s. Подстановка s = j. дает: D(j.) = -3.2 + j. + 2.( j.K1. + K0).(cos  - j.sin ) = -3.2 + j. + + j.2.K1..cos  + 2.K1..sin  + 2.K0.cos  - j.2.K0.sin  = ReD + j.ImD, где ReD = -3.2 + 2.K1..sin  + 2.K0.cos , ImD =  + 2.K1..cos  - 2.K0.sin . Приравнивание полученных выражений к нулю дает систему из двух уравнений с тремя неизвестными: K0, K1 и : ReD = -3.2 + 2.K1..sin  + 2.K0.cos  = 0, ImD =  + 2.K1..cos  - 2.K0.sin  = 0. Решение системы относительно K0 и K1: K0 = 0,5..sin  + 1,5.2.cos , K1 = 1,5..sin  - 0,5.cos . Далее, варьируя  от 0 до бесконечности, по последним выражениям в пространстве K0 и K1 строится кривая D-разбиения (см. рисунок 1.63), которая ограничивает область устойчивости. Знание области устойчивости для рассматриваемой АСР позволяет ограничить область поиска оптимальных настроек. Поиск может производится путем сканирования (в т.ч. с переменным шагом) только области устойчивости. Часто ставится задача поиска настроек, соответствующих оптимальным (максимальным или минимальным) значениям показателей качества Ci: , которые могут образовывать векторный критерий С = {Ci}. Поиск оптимальных параметров в смысле векторного критерия достаточно сложен. Для упрощения он может быть сведен к достаточно хорошо изученной задаче минимизации некоторой скалярной функции, которая является интегральным критерием I. Функция I определяется путем сворачивания векторного критерия в скалярный одним из методов: 1) аддитивный критерий , где αi – веса (весовые коэффициенты) показателей. Если показатели имеют разные шкалы или размерности, то для облегчения выбора весов иногда эти показатели нормируют: , где - минимально (максимально) возможное значение показателя или диапазон его шкалы. Веса также нормированы, т.е. . 2) линейно-квадратичный критерий . Минимизация по такому критерию эквивалентна нахождению точки, ближайшей к началу координат (с учетом весов). 3) Минимаксный (Чебышёвский) критерий . Смысл – минимизация самой большой потери. 4) Модель справедливого компромисса. . Для случая n = 2 имеем α = α1 = α2 = 0,5 и решение . То есть относительные потери по одному критерию приводят к относительному преобразованию другого. К критериям Ci предъявляются требования: 1) Ci > 0, 2) для оптимальных настроек Ci  min (если изначально Ci  max, то вместо него вводится в рассмотрение критерий , который стремится к минимуму при Ci  max). После определения интегрального критерия производится его минимизация в области устойчивости (методом сканирования, градиентным методом и т.д.). Поиск оптимальных настроек может вестись при заранее введенных ограничениях на какие-либо показатели качества: или , где Ci.зад. – заданное значение показателя. Достигнутое при поиске значение должно быть не хуже заданного. Для решения такой задачи поиска строятся т.н. кривые D-разбиения равного значения показателя качества одним из перечисленных ниже методов в зависимости от вида показателя. При ограничении на степень устойчивости   зад. Кривая D-разбиения изначально являлась границей устойчивости, поэтому, чтобы можно было применить те же методы построения кривой (т.е. применять критерии устойчивости), производят смещение осей координат Этим смещением вынуждают систему оказаться на границе устойчивости. В отношении степени устойчивости достаточно сместить мнимую ось Im влево на величину зад (ось Im z на рисунке 1.64) путем подстановки s = z + зад в характеристическое выражение D(s). Выражение D(z + зад) называется смещенным характеристическим выражением. Далее производится построение кривой D- разбиения известными методами. Каждая точка кривой будет соответствовать заданной степени устойчивости. При ограничении   зад. В этом случае для вывода системы на границу устойчивости необходимо повернуть оси Re и Im на угол зад (см. рисунок 1.65) путем подстановки s = z.e j . При ограничении на степень колебательности m  mзад. Поскольку показатели m и  связаны однозначно отношением m = tg , то для вывода системы на границу устойчивости также используется поворот осей на угол . Подстановка имеет вид s = j. - m.. Далее строится кривая D-разбиения по критерию Михайлова. При ограничении на степень затухания   зад. Имеется формула, связывающая  со степенью колебательности m: , откуда . Далее строится кривая D-разбиения равной степени колебательности m. При ограничении на показатель колебательности М  Мзад . Применяется методика Ротача, согласно которой необходимо определить выражение для АЧХ замкнутой системы по заданию Аз() = |Фз(j. )|. Показатель колебательности М определяется как максимум функции Аз() (см. рисунок 1.66). Условие максимума записывается в виде системы: Аз() = М при . Поскольку в общем случае выражение для Аз() является функцией не только частоты , но и настроек регулятора, то система уравнений (при М = Мзад) решается относительно них. Далее, варьируя , в пространстве настроек строится кривая D‑разбиения, каждая точка которой соответствует Мзад. При ограничении на показатель колебательности МЕ  МЕ зад. Построение кривой D-разбиения строится аналогично как решение системы: АЕ() = МЕ зад при , где АЕ() = |ФЕ(j. )| - АЧХ замкнутой системы по ошибке. Количество настроек, в пространстве которых строятся кривые D-разбиения, как показано в п. 4.1, для разных регуляторов различно. Так, ПИ-регулятор имеет две настройки K0 и K1, поэтому кривая D-разбиения для него имеет вид кривой на плоскости. Для ПИД-регулятора с настройками K0, K1 и K2 кривая D-разбиения представляет собой поверхность в трехмерном пространстве. Для ограничения области поиска настройку K2 рассматривают как зависимую от K0 и K1: , где  - коэффициент, оптимальные значения которого соответствуют диапазону 0,15    0,6. Тогда поверхность вырождается в кривую на плоскости K0 и K1. Доказано, что оптимальные настройки ПИ- и ПИД-регуляторов в смысле минимума интегрального квадратичного критерия , где eп(t) = e(t) – eуст – переходная составляющая ошибки, соответствуют максимуму K0 на кривой равного значения. Задача поиска оптимальных настроек регуляторов относится к задачам параметрической оптимизации. В целом при синтезе АСР различают три уровня оптимизации (начиная с нижнего): 1) параметрический – заключается в настройке параметров – для данного уровня существуют наиболее разработанные и формализованные методики; 2) структурный – подбираются оптимальные структуры регуляторов, различных корректирующих звеньев – достаточно хорошо разработаны методики для одноконтурных систем; 3) топологический – оптимизация некоторого критерия путем подбора структуры всей АСР (выбор количества и мест включения обратных связей, регуляторов, дополнительных звеньев) – существуют лишь частные методики, которые могут давать физически нереализуемые решения. Часть 2. Средства автоматизации и управления 1 Измерения технологических параметров 1.1 Государственная система приборов (ГСП) ГСП объединяет в себе все средства контроля и регулирования технологических процессов. Характерной особенностью ГСП является: 1) блочно-модульный принцип, лежащий в основе конструкций устройств; 2) унификация входных-выходных сигналов и сигналов питания. Содержит три ветви: 1) гидравлическую, 2) пневматическую, 3) электрическую. Блочно-модульный принцип характеризуется наличием отдельных модулей или блоков, выполняющих достаточно простую функцию. Этот принцип позволяет уменьшить номенклатуру средств автоматизации, упрощает ремонт и замену, уменьшает стоимость, позволяет реализовать принцип взаимозаменяемости. Унифицированные сигналы: 1) Пневматические - сигналы давления сжатого воздуха диапазон изменения сигнала: 0,2 - 1 или 0,02 - 0,1 МПа; сигнал питания: 1,4 ; расстояние передачи сигнала: до 300 м. 2) Электрические сигналы имеют много диапазонов, которые можно разделить на две группы: а) токовые (сигналы постоянного тока), например: 0 - 5 мА, 0 - 20 мА, 4 - 20 мА и др.; б) сигналы напряжения постоянного тока, например: 0 - 1 В, 0 - 10 В и др. Первичные приборы (датчики) могут преобразовывать измеряемый параметр в какой-либо унифицированный сигнал. Если же датчик выдает неунифицированный сигнал, то для приведения его к стандартному диапазону должен быть установлен соответствующий преобразователь. 1.2 Основные определения Прямое измерение – измерение, при котором искомое значение величины находят непосредственно из опытных данных. Косвенное измерение - измерение, при котором искомое значение величины находят на основании зависимости между этой величиной и величинами, подвергаемыми, прямым измерениям. Принцип измерений – совокупность физических явлений, на которых основаны измерения. Метод измерений – совокупность приемов использования принципов и средств измерений. Средство измерений – техническое средство, используемое при измерениях и имеющее нормированные метрологические свойства. Мера – средство измерений, предназначенное для воспроизведения физической величины заданного размера. Измерительный прибор – средство измерений, предназначенное для выработки сигнала измерительной информации в форме, доступной для непосредственного восприятия наблюдателем. Аналоговый измерительный прибор – измерительный прибор, показания которого являются непрерывной функцией изменений измеряемой величины. Цифровой измерительный прибор – измерительный прибор, автоматически вырабатывающий дискретные сигналы измерительной информации, показания которого представлены в цифровой форме. Показывающий измерительный прибор – измерительный прибор, допускающий только отсчитывание показаний. Показания средства измерений – измерение величины, определяемое по отсчетному устройству и выраженное в принятых единицах этой величины. Градуировочная характеристика средства измерений – зависимость между значениями величин на выходе и входе средства измерений, составленная в виде таблицы, графика или формулы. Диапазон показаний – область значений шкалы, ограниченная конечным и начальным значениями шкалы. Диапазон измерений – область значений измеряемой величины, для которой нормированы допускаемые погрешности средства измерений. Предел измерений – наибольшее и наименьшее значения диапазона измерений. Чувствительность измерительного прибора – отношение изменения сигнала на выходе измерительного прибора к вызывающему его изменению измеряемой величины. Любые измерения сопровождаются погрешностями: 1) случайные погрешности - имеют случайную природу и причина их неизвестна; 2) промахи - вызваны неправильными отсчетами по прибору; 3) систематические - обусловлены несовершенством методов определения, конструкции прибора. Виды погрешностей: 1) абсолютные: Х = Х - Х0, где Х - измеренное значение параметра, Х0 - истинное значение. Абсолютная погрешность измерения – погрешность измерения, выраженная в единицах измеряемой величины. 2) относительные: (выраженные в процентах); Относительная погрешность измерения – отношение абсолютной погрешности измерения к истинному значению измеряемой величины. Относительная погрешность может быть выражена в процентах. 3) приведенные: , где Хmin и Хmax - минимальное и максимальное значения измеряемой величины. Максимальная приведенная погрешность называется классом точности: . В зависимости от класса точности приборы делятся на эталонные (образцовые) и рабочие. 1.3 Классификация контрольно-измерительных приборов На нефтеперерабатывающих и химических производствах наиболее часто измеряемыми величинами являются температура, давление, расход и уровень. На них приходится около 80 % всех измерений. Остальную часть занимают электрические, оптические и другие измерения. При измерениях используются различные измерительные приборы, которые классифицируются по ряду признаков. Общей градацией является разделение их на приборы для измерения: механических, электрических, магнитных, тепловых и других физических величин. Классификация по роду измеряемой величины указывает, какую физическую величину измеряет прибор (давление Р, температуру Т, расход F, уровень L, количество вещества Q и т.д.). Исходя из признака преобразования измеряемой величины, измерительные приборы разделяют на приборы: а) непосредственной оценки; б) сравнения. По характеру измерения: стационарные и переносные. По способу отсчета измеряемой величины: показывающие, регистрирующие, суммирующие. 1.4 Виды первичных преобразователей Первичные приборы или первичные преобразователи предназначены для непосредственного преобразования измеряемой величины в другую величину, удобную для измерения или использования. Различают генераторные, параметрические и механические преобразователи: 1) Генераторные осуществляют преобразование различных видов энергии в электрическую, то есть они генерируют электрическую энергию (термоэлектрические, пьезоэлектрические, электрокинетические, гальванические и другие датчики). 2) К параметрическим относятся реостатные, тензодатчики, термосопротивления и т.п. Им для работы необходим источник энергии. 3) Выходным сигналом механических первичных преобразователей (мембранных, манометров, дифманометров, ротаметров и др.) является усилие, развиваемое чувствительным элементом под действием измеряемой величины. 1.5 Методы и приборы для измерения температуры 1.5.1 Классификация термометров Температура вещества - величина, характеризующая степень нагретости, которая определяется внутренней кинетической энергией теплового движения молекул. Измерение температуры практически возможно только методом сравнения степени нагретости двух тел. Для сравнения нагретости этих тел используют изменения каких-либо физических свойств, зависящих от температуры и легко поддающихся измерению. По свойству термодинамического тела, используемого для измерения температуры, можно выделить следующие типы термометров: • термометры расширения, основанные на свойстве температурного расширения жидких тел; • термометры расширения, основанные на свойстве температурного расширения твердых тел; • термометры газовые манометрические; • термометры жидкостные манометрические; • конденсационные; • электрические; • термометры сопротивления; • оптические монохроматические пирометры; • оптические цветовые пирометры; • радиационные пирометры. 1.5.2 Термометры расширения. Жидкостные стеклянные Тепловое расширение жидкости характеризуется сравнительным коэффициентом объемного расширения, значение которого определяется как , 1/град, где V0, Vt1, Vt2 - объемы жидкости при 0 С, температурах t1 и t2 соответственно. Чувствительность термометра зависит от разности коэффициентов объемного расширения термометрической жидкости и стекла, от объема резервуара и диаметра капилляра. Чувствительность термометра обычно лежит в пределах 0,4…5 мм/С (для некоторых специальных термометров 100…200 мм/С). Для защиты от повреждений технические термометры монтируются в металлической оправе, а нижняя погружная часть закрывается металлической гильзой. 1.5.3 Термометры, основанные на расширении твердых тел К этой группе приборов относятся дилатометрические и биметаллические термометры, основанные на изменении линейных размеров твердых тел с изменением температуры. 1) Конструктивное исполнение дилатометрических термометров основано на преобразовании измеряемой температуры в разность абсолютных значений удлинений двух стержней, изготовленных из материалов с существенно различными термическими коэффициентами линейного расширения: , 1/град, где l0, lt1, lt2 - линейные размеры тела при 0 С, температурах t1 и t2 соответственно. В силу того, что  мала, дилатометрические термометры применяются в качестве различного рода тепловых реле в устройствах сигнализации и регулирования температуры. 2) Биметаллические термометры основаны на деформации биметаллической ленты при изменении температуры. Обычно применяются биметаллические ленты, согнутые в виде плоской или винтовой спирали. Один конец спирали укреплен неподвижно, второй - на оси стрелки. Угол поворота стрелки равен углу закручивания спирали, который пропорционален изменению температуры. Биметаллические термометры обеспечивают изменение температуры с относительными погрешностями 1 - 1,5 %. 1.5.4 Газовые манометрические термометры В основу принципа действия манометрического термометра положена зависимость между температурой и давлением термометрического (рабочего) вещества, лишенного возможности свободно расширяться при нагревании. Манометрические термометры обычно включают в себя термобаллон, капиллярную трубку и трубчатую пружину с поводком, зубчатым сектором и стрелкой. Вся стистема заполняется рабочим веществом. При нагревании термобаллона, установленного в зоне измеряемой температуры, давление рабочего вещества внутри замкнутой системы увеличивается. Увеличение давления воспринимается манометрической пружиной, которая воздействует через передаточный механизм на стрелку или перо прибора. Газовые манометрические термометры основаны на зависимости температуры и давления газа, заключенного в герметически замкнутой термосистеме. Достоинства: шкала прибора практически равномерна. Недостатки: сравнительно большая инерционность и большие размеры термобаллона. 1.5.5 Жидкостные манометрические термометры В качестве манометрической жидкости в приборах этого типа применяется метиловый спирт , ксилол, толуол, ртуть и т.д. Жидкостные манометрические термометры имеют равномерную шкалу. 1.5.6 Конденсационные манометрические термометры Конденсационные манометрические термометры реализуют зависимость упругости насыщенных паров низкокипящей жидкости от температуры. Поскольку эти зависимости для используемых жидкостей (хлористый метил, этиловый эфир, хлористый этил, ацетон и др.) нелинейны, следовательно, и шкалы термометров неравномерны. Однако, эти приборы обладают более высокой чувствительностью, чем газовые жидкостные. 1.5.7 Электрические термометры Принцип действия этого типа термометров основан на зависимости термо-ЭДС (ТЭДС) цепи от изменения температуры. В термоэлектрической цепи, состоящей из двух проводников А и В (см. рис. 2.1) возникают 4 различные ТЭДС: 2 ТЭДС в местах спаев проводников А и В, ТЭДС на конце проводника А и ТЭДС на конце проводника В. Суммарная ТЭДС, возникающая при нагреве спаев проводников до температур t и t0: EAB(t t0) = eAB(t) + eBA(t0), где eBA и eAB - ТЭДС, обусловленная контактной разностью потенциалов и разностью температур концов А и В. ТЭДС EAB(t t0) является функцией от температуры горячего спая t при условии постоянства температуры холодного спая t0. Термопары градуируются при определенной постоянной температуры t0 (обычно t0 = 0 C или 20 C). При измерениях температура t0 может отличаться от градуировочного значения. В этом случае вводится соответствующая поправка в результат измерения: EAB(t t0) = EAB(t t0’) + EAB(t0’t0). Поправка EAB(t0’t0) равна ТЭДС, которую развивает данная термопара при температуре горячего спая t0’ и градуировочном значении температуры холодных спаев. Поправка берется положительной, если t0’ > t0, и отрицательной, если t0’ < t0. Величина поправки может быть взята из градуировочной таблицы. Конструктивное исполнение термопар разнообразно и зависит главным образом от условий их применения. При необходимости измерения небольшой разницы температур или получения большой ТЭДС применяются дифференциальные термопары и термобатареи, представляющие собой несколько последовательно соединенных термопар. Компенсация изменения температуры холодных спаев термопар. Правильное измерение температуры возможно лишь при постоянстве температур свободных спаев t0. Оно обеспечивается с помощью соединительных проводов и специальных термостатирующих устройств. Соединительные провода в данном случае предназначены для переноса свободных концов термопары в зону с известной постоянной температурой, а также для подсоединения свободных концов термопары к зажимам измерительных приборов. Соединительные провода должны быть термоэлектрически подобны термоэлектродам термопары. Как правило, соединительные провода для термопар, изготовленных из неблагородных металлов, выполняются из тех же самых материалов, что и термоэлектроды. Исключение составляет хромель-алюмелевая термопара, для которой с целью уменьшения сопротивления линии в качестве соединительных проводов применяется медь в паре с константаном. Градуировки термопар: ХА - хромель-алюмелевые (по международной классификации – градуировка К); ХК - хромель-копелевые (L); ПП - платинородий-платиновые (S) и др. Требования к термопарам: 1) воспроизводимость, 2) высокая чувствительность, 3) надежность, 4) стабильность, 5) достаточный температурный диапазон. Таблица 2.1 - Материалы, используемые для изготовления термопар Название Состав ТЭДС, мВ (при t0 = 0 C и t1 = 100 C) Максимальный темпер. предел, C Хромель 10% Cr + 90 % Ni +2,95 1000 Платинородий 90 % Pt + 10 % Rh +0,86 1300 Медь Cu +0,76 350 Платина Pt 1300 Алюмель 95 % Ni + 5 % Al -1,2 1000 Копель 56 % Cu + 44 % Ni -4 600 Константан 60 % Cu + 40 % Ni -3,4 600 Методы и средства для измерения ТЭДС: 1) Метод непосредственной оценки ( с помощью милливольтметра); 2) Компенсационный метод (с помощью потенциометров). 1.5.8 Термометры сопротивления Измерение температуры термосопротивлениями основано на свойстве проводников и полупроводников изменять свое электрическое сопротивление при изменении температуры. Вид функции R = f(t) зависит от природы материала и может быть записан как линейное уравнение R = R0.(1 + .t), где  - температурный коэффициент сопротивления, t – температура. Для изготовления чувствительных элементов серийных термосопротивлений применяются чистые металлы, к которым предъявляются следующие требования: а) металл не должен окисляться или вступать в химические реакции с измеряемой средой; б) температурный коэффициент электрического сопротивления металла  должен быть достаточно большим и неизменным; в) функция R = f(t) должна быть однозначна. Наиболее полно указанным требованиям отвечают: платина, медь, никель, железо и др. Основной недостаток термосопротивлений: большая инерционность (до 10 мин). Для измерения температуры наиболее часто применяются термосопротивления типов ТСП (платиновые) и ТСМ (медные). 1.5.9 Пирометры излучения Пирометры излучения основаны на использовании теплового излучения нагретых тел. Верхний предел измерения температуры пирометра излучения практически не ограничен. Измерение основано на бесконтактном способе, поэтому отсутствует искажение температурного поля, вызываемое введением преобразовательного элемента прибора в измеряемую среду. Возможно измерение температуры пламени и высоких температур газовых потоков при больших скоростях. Лучистая энергия выделяется нагретым телом в виде волн различной длины. При сравнительно низких температурах (до 500 С) нагретое тело испускает инфракрасные лучи. По мере повышения температуры цвет тела от темно-красного доходит до белого. Возрастание интенсивности монохроматического излучения с повышением температуры описывается соответствующими уравнениями. 1.5.10 Цветовые пирометры В цветовых пирометрах определяется отношение интенсивности излучения реального тела Е в лучах с двумя заранее выбранными значениями длины волны 1 и 2, то есть показания цветовых пирометров определяются функцией f(Е1 / Е2). Это отношение для каждой температуры различно, но однозначно. 1.6 Вторичные приборы для измерения разности потенциалов Для измерения ТЭДС в комплектах термоэлектрических термометров применяются пирометрические милливольтметры и потенциометры. В потенциометрах, в отличие от милливольтметров, используется компенсационный метод измерения. 1.6.1 Пирометрические милливольтметры Пирометрические милливольтметры являются электроизмерительными приборами магнито-электрической системы. В конструкции пирометрических милливольтметров можно выделить магнитную и подвижную системы (см. рисунок 2.3). Первая состоит из подковообразного магнита 1, полюсных наконечников 2 и цилиндрического сердечника 3. Кольцевой зазор между сердечником и полюсными наконечниками характеризуется наличием практически равномерного электромагнитного поля. В этом зазоре соосно с сердечником размещается рамка 4, которая монтируется на кернах, опирающихся на подпятники, либо на натянутых нитях. Момент сил, противодействующий вращению рамки, создается специальными пружинами. Взаимодействие тока, протекающего по рамке, с полем постоянного магнита 2 вызывает появление вращающего момента, который, будучи уравновешен противодействующим моментом пружин, поворачивает рамку на определенный угол. Этот угол пропорционален величине протекающего по рамке тока. 1.6.2 Потенциометры Потенциометры в отличие от милливольтметров работают по компенсационному (нулевому) методу измерения. Принцип компенсации при измерении ТЭДС заключается в уравновешивании ее известным напряжением U на калибровочном резисторе RАВ, созданным вспомогательным источником тока. Ток от вспомогательного источника проходит через реохорд RAB.UAB пропорционально RАВ (в точке D находится движок реохорда). Последовательно с термопарой, генерирующей ТЭДС, включен милливольтметр НП (нуль-прибор) с нулем в середине шкалы. Передвигая движок D, добиваются уравновешивания ΔU и E(t t0). 1.6.3 Автоматические электрические потенциометры Схема автоматического потенциометра показана на рисунке 2.5, где обозначено: Rp - сопротивление реохорда, Rш - шунта, Rп - для задания пределов измерения, Rн и Rк - для задания начала и конца шкалы, Rб - балластное, Rс - для поверки рабочего тока, Rм - медное сопротивление для компенсации влияния температуры холодных спаев. ИПС - источник питания стабилизированный. Потенциометр состоит из моста сопротивлений АВСD, в одну из диагоналей которого включен источник питания ИПС (диагональ ВС), а в другую (измерительную диагональ АD) термопара с ТЭДС Е и электродвигатель ЭД с усилителем УЭД. В вершине А моста находится реохорд Rр, к движку которого прикреплена стрелка, движущаяся вдоль шкалы. Перемещением движка в свою очередь управляет электродвигатель. Мост может находиться в двух состояниях: уравновешенном и неуравновешенном. Когда мост находится в равновесии, то напряжение между его вершинами AD равно по модулю термоЭДС (UAD = Е) и напряжение небаланса ΔU, подаваемое на усилитель УЭД, равно нулю: ΔU = UAD – Е = 0. В данном состоянии ЭД не работает. Если по каким-либо причинам термо-ЭДС Е изменится, то мост выходит из равновесия и на входе усилителя УЭД появится напряжение небаланса ΔU ≠ 0. Усилитель, усилив напряжение, подает его на ЭД, который, вращаясь, перемещает движок реохорда. Перемещение движка продолжается до тех пор, пока мост снова не придет в равновесие и напряжение на ЭД снова не станет равно нулю. В этих потенциометрах процесс компенсации осуществляется автоматически, непрерывно и с большой скоростью. Эти приборы имеют устройства для автоматического внесения поправки на температуру холодных спаев термопары. 1.7 Методы измерения сопротивления Для измерения сопротивлений термоэлектрических сопротивлений (ТС) часто используют автоматические электронные мосты, включенные по двухпроводной, трехпроводной или четырехпроводной схемам. Двухпроводная схема подключения моста к ТС показана на рис. 2.6, где обозначены: R1, R2, R3, R4 - сопротивления моста; Rб - балластное сопротивление для ограничения рабочего тока; Rт - сопротивление ТС; Rл - сопротивление линии (соединительных проводов). Условием равновесия моста является равенство произведений противолежащих плечей, т.е. в данном случае: R1.R3  R2.(R4 + Rт + 2.Rл). Когда мост уравновешен, напряжение на диагонали UAD = 0 и, следовательно, ЭД не работает. При изменении температуры объекта изменяется Rт и UAD перестает быть нулевым. Это напряжение усиливается УЭД и подается на ЭД, который, вращаясь, перемещает движок реохорда. Недостатком такой схемы является то, что сопротивления линии входят в одно плечо с Rт, следовательно, изменение Rл может вызывать изменение показаний моста. Для компенсации Rл применяются трехпроводная или четырехпроводная схемы. Трехпроводная схема подключения моста (см. рисунок 2.7). В этом случае уравнение равновесия имеет вид (R1 + Rл).R3  R2.(R4 + Rт + Rл). То есть сопротивление линии Rл входит в обе части уравнения и частично компенсируется. 1.8 Методы и приборы для измерения давления и разряжения 1.8.1 Классификация приборов для измерения давления Под давлением в общем случае понимают предел отношения нормальной составляющей усилия к площади, на которую действует усилие. В зависимости от природы контролируемого процесса нас интересует абсолютное давление Ра или избыточное Ри. При измерении Ра за начало отсчета принимается нулевое давление, которое можно себе представить как давление внутри сосуда после полной откачки воздуха. Естественно, достигнуть Ра = 0 невозможно. Барометрическое давление Рбар - давление, оказываемое атмосферой на все находящиеся в ней предметы. Избыточное давление представляет собой разность между абсолютным и барометрическим давлениями: Ри = Ра - Рбар Если Рабс < Рбар, то Ри называется давлением разряжения. Классификация приборов для измерения давления: I. По принципу действия: 1) жидкостные (основанные на уравновешивании давления столбом жидкости); 2) поршневые (измеряемое давление уравновешивается внешней силой, действующей на поршень); 3) пружинные (давление измеряется по величине деформации упругого элемента); 4) электрические (основанные на преобразовании давления в какую-либо электрическую величину). II. По роду измеряемой величины: 1) манометры (измерение избыточного давления); 2) вакуумметры (измерение давления разряжения); 3) мановакуумметры (измерение как избыточного давления, так и давления разряжения); 4) напорометры (для измерения малых избыточных давлений); 5) тягомеры (для измерения малых давлений разряжения); 6) тягонапорометры; 7) дифманометры (для измерения разности давлений); 8) барометры (для измерения барометрического давления). 1.8.2 Жидкостные манометры Широко применяются в качестве образцовых приборов для лабораторных и технических измерений. В качестве рабочей жидкости используется спирт, вода, ртуть, масла. Двухтрубный манометр представляет собой U-образную трубку, заполненную затворной жидкостью. Давление в каждой трубке связано с уровнями как и , где h1 и h2 – уровни в трубках. Тогда о разности давлений Р = Р1 – Р2 можно судить по разности уровней h = h1 – h2: . 1.8.3 Чашечные манометры и дифманометры Чашечный (однотрубный) манометр является разновидностью U-образного трубного манометра (см. рис. 2.10), у которого одна из трубок заменена сосудом большого диаметра (чашкой). Измеряется давление Ра, действующее на жидкость в широком сосуде, а открытый конец трубки совмещен с атмосферой. Уравнение равновесия: Р =  g (h + H). Чашечные и трубные манометры применяются для тарировки и поверки рабочих приборов, реже - в качестве рабочих приборов. 1.8.4 Микроманометры Применяются для измерения давлений, меньших 100 - 200 мм водяного столба. Представляют собой жидкостной манометр с наклоненной под углом 20…50 трубкой. h = L.sin() - высота поднятия уровня жидкости в узкой трубке, P = .g.h - измеренное давление. Погрешность:  1,5 %. 1.8.5 Пружинные манометры Состоят из трубчатой пружины 1 с поводком, зубчатого сектора 3 и шестерни 4 с прикрепленной к ней стрелкой 2. При увеличении давления трубчатая пружина стремится разогнуться, в результате чего она через поводок начинает воздействовать на зубчатый сектор, отклоняя стрелку. 1.8.6 Электрические манометры. Преобразователи давления типа "Сапфир" Эти манометры обеспечивают непрерывное преобразование значения измеряемого параметра (давления избыточного, абсолютного, разряжения, разности давлений нейтральных и агрессивных сред) в унифицированный токовый сигнал для дистанционной передачи (0 - 5 мА, 0 - 20 мА и др.). Мембранный тензопреобразователь 3 размещен внутри основания 9 (см. рисунок 2.13). Внутренняя полость 4 тензопреобразователя заполнена кремнийорганической жидкостью и отделена от измеряемой среды металли­ческой гофрированной мембраной 6, приваренной по наружному кон­туру к основанию 9. Полость 10 сообщена с окружающей атмосферой. Измеряемое давление подается в камеру 7 фланца 5, который уплотнен прокладкой 8. Измеряемое давление воздействует на мемб­рану 6 и через жидкость воздействует на мембрану тензопреобразо­вателя, вызывая ее прогиб и изменение сопротивления тензорезис­торов. Электрический сигнал от тензопреобразователя передается из измерительного блока 1 по проводам через гермовывод 2. Преобразователи «Сапфир-22ДА» моделей 2050 и 2060, предназначенные для измерения абсолютного давления, отличаются тем, что полость 10 вакуумирована и герметизи­рована. Преобразователи «Сапфир-22ДД» моделей 2410, 2420, 2430, 2434, 2440 и 2444 (см. рисунок 2.14), предназначенные для измерения разности давлений, отличаются тем, что в них используется тензопреобразователь мембранно-рычажного типа, который размещен внутри основания в замкнутой полости, заполненной кремнийорганической жидкостью, и отделен от измеряемой среды двумя металлическими гофрированными мембранами. Мембраны соединены между собой центральным штоком, перемещение которого передается рычагу тензопреобразователя, что вызывает деформацию тензопреобразователя. Чувствительным элементом тензопреобразователя является пластина из монокристаллического сапфира (разновидность корунда - Al2O3) с кремниевыми пленочными тензорезисторами (структура КНС - кремний на сапфире). Электрический сигнал от тензопреобразователя передается из измерительного блока в электронное устройство 1 по проводам через гермоввод 2. Измерительный блок выдерживает без разрушения воздействие односторонней перегрузки рабочим избыточным давлением. Это обеспечивается тем, что при такой перегрузке одна из мембран 8 ложится на профилированную поверхность основания 9. 1.9 Методы и приборы для измерения расхода пара, газа и жидкости 1.9.1 Классификация Количество вещества выражается в единицах объема или массы (т.е. в м3 или килограммах). Количество жидкости с равной степенью точности может быть измерено и объемным, и массовым методами, количество газа - только объемным. Для твердых и сыпучих материалов используется понятие насыпной или объемной массы, которая зависит от гранулометрического состава сыпучего материала. Для более точных измерений количество сыпучего материала определяется взвешиванием. Расходом вещества называется количество вещества, проходящее через данное сечение трубопровода в единицу времени. Массовый расход измеряется в кг/с, объемный - в м3/с. Приборы, измеряющие расход, называются расходомерами. Эти приборы могут быть снабжены счетчиками (интеграторами), тогда они называются расходомерами-счетчиками. Такие приборы позволяют измерять расход и количество вещества. Классификация: Механические объемные ковшовые барабанного типа мерники скоростные по методу переменного перепада давления по методу постоянного перепада давления напорные трубки ротационные Электрические электромагнитные ультразвуковые радиоактивные 1.9.2 Метод переменного перепада давления Является самым распространенным и изученным методом измерения расхода жидкости, пара и газа. В измерительной технике сужающими устройствами являются диафрагмы, сопла и сопла Вентури. Наиболее часто из них применяются диафрагмы, которые представляют собой тонкий диск, установленный в трубопроводе так, чтобы его отверстие было концентрично внутреннему контуру сечения трубопровода. Сужение потока начинается до диафрагмы. Затем на некотором расстоянии за ней благодаря действию сил инерции поток сужается до минимального значения, а далее постепенно расширяется до полного сечения трубопровода. Перед диафрагмой и за ней образуются зоны с вихревым движением. I - I - сечение потока до искажения формы. II - II - сечение в месте максимального сужения. Рп - потери давления на трение и завихрения. Разность давлений Р1 - Р2 нелинейно зависит от расхода среды, протекающей через трубопровод: , где K – коэффициент, зависящий от сечения трубы, вязкости жидкости, шероховатости стенок. В случае использования сопла струя, протекающая через него, не отрывается от его профилированной части и поэтому Рп меньше. Еще меньше потери Рп в сопле Вентури. Перепад давления измеряется дифманометрами. Комплект расходомера состоит из элементов: 1) сужающее устройство (Д); 2) импульсные трубки (Т); 3) дифманометр (ДМ). В качестве дифманометров обычно используются преобразователи разности давлений типа «Сапфир - 22ДД». Поскольку зависимость между расходом и перепадом давления нелинейна, то либо используется нелинейная шкала показывающего прибора, либо специальные устройства извлечения корня из поступающего с ДМ сигнала. 1.9.3 Расходомеры постоянного перепада давления К ним относятся гидродинамические, поршневые, поплавковые, ротаметрические расходомеры. Наиболее распространенными приборами группы расходомеров постоянного перепада давления являются ротаметры (см. рис. 2.17), которые имеют ряд преимуществ перед расходометрами переменного перепада давления: а) потери Рп незначительны и не зависят от расхода; б) имеют большой диапазон измерения и позволяют измерять малые расходы. Принцип действия основан на измерении положения Н поплавка, вращающегося в расширяющейся кверху трубке под влиянием направленной вверх струи. F - расход проходящего через трубку газа или жидкости,  - угол наклона стенок трубки. Зависимость Н от F нелинейна, но в начальном и среднем участках равномерность делений шкалы искажается в незначительной степени. Отсутствие прямой зависимости между F и Н требует индивидуальной градуировки каждого прибора. Ротаметрические трубки обычно изготавливаются из стекла, на которое наносится шкала. Ротор также может быть изготовлен в виде шарика или диска. 1.9.4 Расходомеры переменного уровня Используются для измерения расходов смесей продуктов, содержащих твердые частицы, пульсирующих потоков, особо активных сред. Измерения осуществляются при атмосферном давлении. Состоит из элементов (см. рисунок 2.18): 1 - калиброванный сосуд, 2 - уровнемерное стекло, 3 - отверстие в днище, 4 - перегородка для успокоения потока. 1.9.5 Расходомеры скоростного напора Измерение расхода основано на зависимости динамического напора от скорости потока измеряемой среды. Дифманометр, соединяющий обе трубки, показывает динамическое давление, по которому судят о скорости потока и, следовательно, о расходе. 1.10 Методы и приборы для измерения уровня 1.10.1 Методы измерения уровня В общем объеме измерительных операций в нефтепереработке, нефтехимии и газовой промышленности измерение уровня составляет 18 - 20 %. Под измерением уровня понимается индикация положения раздела двух сред различной плотности относительно какой-либо горизонтальной поверхности, принятой за начало отсчета. Приборы, выполняющие эту задачу, называются уровнемерами. Методы измерения уровня: 1) поплавковый, 2) буйковый, 3) гидростатический, электрические и др. 1.10.2 Поплавковый метод измерения уровня Поплавковый уровнемер построен по принципу использования выталкивающей силы жидкости. Чувствительный элемент представляет собой тело произвольной формы (поплавок), плавающее на поверхности жидкости и имеющее постоянную осадку. Поплавок перемещается вертикально вместе с уровнем жидкости и текущее значение уровня определяется фиксацией положения поплавка. 1.10.3 Буйковые уровнемеры Действие буйкового уровнемера основано на законе Архимеда. Чувствительный элемент буйкового уровнемера - буй - массивное тело, подвешенное вертикально внутри сосуда, уровень жидкости в котором контролируется. По мере изменения уровня жидкости изменяется погружение буя вследствии компенсации выталкивающей силы жидкости изменением усилия в подвеске. Осадка буя переменная. Таким образом, по величине погружения буя судят об уровне жидкости в сосуде. Характеристика буйкового уровнемера линейная, а чувствительность тем больше, чем больше площадь поперечного сечения буя. 1.10.4 Гидростатические уровнемеры В этих приборах измерение уровня жидкости постоянной плотности сводится к измерению давления, созданного столбом жидкости Р = ж g h. Различают пьезометрические уровнемеры и уровнемеры с непосредственным измерением столба жидкости. Пьезометрические уровнемеры применяются для измерения уровня самых разнообразных, в том числе вязких и агрессивных жидкостей. Воздух из пьезометрической трубки 1 барботирует через слой жидкости. Количество воздуха, подаваемого под давлением, ограничивается дросселем 3 таким образом, чтобы скорость движения его в трубопроводе была минимально возможной. Уровень жидкости определяется по разности давления в дифманометре 2. 1.10.5 Электрические методы измерения уровня Для измерения уровня жидкости может быть использовано различие электрических свойств жидкости и парогазовой смеси под ней. Под электрическими свойствами понимаются диэлектрическая проницаемость и электропроводность веществ. Кондуктометрический метод измерения уровня основан на измерении электрической проводимости первичного преобразователя, зависящей от значения уровня. Емкостной метод измерения основан на изменении емкости первичного преобразователя в зависимости от положения уровня измеряемой среды. Обычно первичный преобразователь выполняется в виде коаксиальных цилиндрических обкладок, погруженных в измеряемую жидкость. С изменением уровня жидкость заполняет пространство между обкладками и тем самым изменяет их электрическую емкость. Зависимость между уровнем жидкости и емкостью пропорциональная. 1.10.6 Радиоволновые уровнемеры Предназначены для бесконтактного измерения и сигнализации уровня жидкости и сыпучих материалов путем облучения контролируемой среды радиоволнами. В результате обработки параметров отраженной радиоволны выделяется сигнал, пропорциональный расстоянию от датчика до поверхности L. Достоинства уровнемеров: надежность, температурная стабильность, отсутствие контакта с измеряемым продуктом, компактность и т.д. 2 Исполнительные устройства 2.1 Классификация исполнительных устройств Исполнительным устройством (ИУ) называется устройство в системе управления, непосредственно реализующее управляющее воздействие со стороны регулятора на объект управления путем механического перемещения регулирующего органа (РО) объекта. Большинство управляющих воздействий в нефтепереработке, нефтедобыче и нефтехимии реализуется путем изменения расходов веществ (например, сырья, топлива, кубового остатка колонны и т.д.). Уравнение статики ИУ для расхода F жидкости или газа может быть описано как F = F(ΔP, ν, ρ, C1, C2, …), где ΔP – перепад давления на РО, ν - вязкость, ρ – плотность, Сi – некоторые параметры, зависящие от конструкции РО, режима истечения потока и т.д. Отсюда видно, что расход F может быть изменен путем: - изменения ΔP (насосные ИУ), - ν или ρ (реологические ИУ), - коэффициентами Ci (дроссельные ИУ). 2.2 Исполнительные устройства насосного типа Структура ИУ насосного типа представлена на рисунке 2.24, где обозначено: u – управляющее воздействие со стороны регулятора, ИМ – исполнительный механизм (привод), РО – регулирующий орган (насос), Хр – параметр, изменяющий производительность насоса (частота вращения вала, ход поршня и т.д.). Для данных ИУ, как правило, давление на выходе Рвых больше, чем давление на входе Рвх, а перепад давления на РО определяется как ΔР = Рвых – Рвх. Насосные ИУ делятся на три класса: 1) С вращательным движением РО: а) шестеренчатые – зубья шестеренок создают со стенками корпуса множество объемов, посредством которых жидкость из всасывающей линии подается в нагнетательную (см. рисунок 2.25); обратный ток жидкости существенно меньше, так как при зацеплении шестеренок между собой остаточные объемы невелики; б) шиберные – при вращении шиберы (см. рисунок 2.26) центробежными силами прижимаются к корпусу и образуют с ним переменные объемы: на всасывающейся линии увеличивающиеся, на нагнетательной – уменьшающиеся; в) винтовые – перекачка производится винтовым шнеком; г) центробежные – изменение расхода происходит за счет изменения входной скорости в полости ротора насоса. 2) С поступательным движением РО: а) поршневые; б) мембранные; в) сильфонные. 2.3 Исполнительные устройства реологического типа Некоторые жидкости и дисперсионные системы могут изменять вязкость под действием электрического поля (например, вазелиновое, трансформаторное, касторовое масла, олефины, алюмосиликаты и др.), т.е. F = F(ν). Преобразователь в ИУ данного типа осуществляет изменение электромагнитного поля в РО в зависимости от u, которое в свою очередь влияет на ν. При этом расход F на РО изменяется пропорционально. Структура ИУ реологического типа изображена на рисунке 2.27. 2.4 Исполнительные устройства дроссельного типа Эти ИУ нашли преимущественное распространение в силу универсальности и простоты. В зависимости от u ИМ изменяет какой-либо параметр дросселя РО, что приводит к изменению расхода F. Пропускной характеристикой дросселя называется зависимость расхода F от перепада давления ΔР = Рвх – Рвых, положения РО и т.д. Зависимость F(ΔР) для турбулентного потока: F = γ , где , S – площадь сечения потока, ξ – коэффициент местного сопротивления, ρ – плотность. Виды ИУ дроссельного типа: 1) Плунжерные – расход регулируется путем изменения площади проходного сечения, образованного парой «седло-затвор» (см. рисунок 2.29). Форма затвора подбирается таким образом, чтобы пропускная характеристика F = F(h) была линейна (h – положение штока). 2) Шланговые – расход регулируется сжиманием гибкого шланга (тип ПШУ-1). 3) Диафрагмовые – используют гибкие мембраны. 4) Заслоночные – используют заслонки в виде дисков, вращающихся в сечении трубопровода. 5) Краны – используют затворы, выполненные в виде цилиндра, усеченного конуса или сферы с проходным отверстием; расход регулируется поворотом затвора на определенный угол. 6) Задвижки – расход регулируется плоской задвижкой, перемещающейся перпендикулярно оси трубопровода. 2.5 Исполнительные механизмы Стандартные исполнительные механизмы (ИМ) работают в комплекте с РО, образуя вместе ИУ, и классифицируются: - по виду энергии, создающей перестановочное усилие (электрические, пневматические, гидравлические и др.); - по виду движения (прямоходовые, однооборотные и многооборотные); - по принципу создания перестановочного усилия (мембранные, поршневые, сильфонные, лопастные, электромагнитные, электродвигательные и др.). Пневматические ИМ нашли широкое распространение благодаря простоте конструкции, низкой стоимости, надежности, способности работать в пожаро- и взрывоопасных условиях. Недостатки: ограниченность расстояния от регулятора до места установки ИУ (обычно до 200 м), низкое быстродействие, низкий класс точности. Входным сигналом этих ИМ является давление сжатого воздуха Рu (см. рисунок 2.30), которое, воздействуя на мембрану, создает усилие F = Sэф (Рu – Ро), где Pu – управляющее давление, Ро – начальное давление, при котором создается движение плунжера, Sэф – эффективная площадь мембраны. Электрические ИМ имеют преимущества: высокое быстродействие, компактность, доступность источника энергии, большие перестановочные усилия. Недостатки: дороговизна, необходимость мер защиты во взрыво- и пожароопасных условиях. Подразделяются на электродвигательные (привод от двигателя) и электромагнитные. Промышленность выпускает практически только электродвигательные ИМ с напряжением 220 В или 380 В: - многооборотные (МЭМ), - однооборотные (МЭО) с углом поворота до 360º, - прямоходовые (МЭП). Пример маркировки: МЭО-0,63/10-0,25 (однооборотный электрический ИМ, момент 6,3 Н.м, время хода 10 с, номинальный ход 0,25 оборота). 3 Функциональные схемы автоматизации 3.1 Условные обозначения Все местные измерительные и преобразовательные приборы, установленные на технологическом объекте, изображаются на функциональных схемах автоматизации (ФСА) в виде окружностей (см. рисунок 2.31, а, б). Если приборы размещаются на щитах и пультах в центральных или местных операторных помещениях, то внутри окружности проводится горизонтальная разделительная линия (см. рисунок 2.31, в, г). Если функция, которой соответствует окружность, реализована в системе распределенного управления (например, в компьютеризированной системе), то окружность вписывается в квадрат (см. рисунок 2.31, д). Внутрь окружности вписываются: - в верхнюю часть - функциональное обозначение (обозначения контролируемых, сигнализируемых или регулируемых параметров, обозначение функций и функциональных признаков приборов и устройств); - в нижнюю - позиционные обозначения приборов и устройств. Места расположения отборных устройств и точек измерения указываются с помощью тонких сплошных линий. Буквенные обозначения средств автоматизации строятся на основе латинского алфавита и состоят из трех групп букв: 1 буква - Контролируемый, сигнализируемый или регулируемый параметр: D - плотность, Е - любая электрическая величина, F - расход, G - положение, перемещение, Н - ручное воздействие, К - временная программа, L - уровень, М - влажность, Р - давление, Q - состав смеси, концентрация, R - радиоактивность, S - скорость (линейная или угловая), Т - температура, U - разнородные величины, V - вязкость, W – масса. 2 буква (необязательная) - уточнение характера измеряемой величины: D - разность, перепад, F - соотношение, J - автоматическое переключение, Q - суммирование, интегрирование. 3 группа символов (несколько букв) - функции и функциональные признаки прибора: I - показания, R - регистрация, С - регулирование, S - переключение, Y - преобразование сигналов, переключение, А - сигнализация, Е - первичное преобразование параметра, Т - промежуточное преобразование параметра, передача сигналов на расстояние, К - переключение управления с ручного на автоматическое и обратно, управление по программе, коррекция. Дополнительные условные обозначения преобразователей сигналов и вычислительных устройств приведены в таблице 2.2. Букву S не следует применять для обозначения функции ре­гулирования (в том числе позиционного). Буква Е применяется для обозначения чувствительных эле­ментов, т. е. устройств, выполняющих первичное преобразова­ние, например, термометров термоэлектрических (термопар), термометров сопротивления, сужающих устройств расходоме­ров. Буква Т обозначает промежуточное преобразование — ди­станционную передачу сигнала. Ее рекомендуется применять для обозначения приборов с дистанционной передачей показа­ний, например, бесшкальных манометров (дифманометров), ма­нометрических термометров с дистанционной передачей и дру­гих подобных приборов. Буква K применяется для обозначения приборов, имеющих станцию управления, т. е. переключатель для выбора вида управления (автоматическое, ручное) и устройство для дистан­ционного управления. Буква Y рекомендуется для построения обозначений преоб­разователей сигналов и вычислительных устройств. Порядок построения условных обозначений с применением дополнительных букв следующий: на первом месте ставится буква, обозначающая измеряемую величину; на втором—одна. Буква U может быть использована для обозначения прибора, измеряющего несколько разнородных величин. Расшифровка этих величин приводится около прибора или на поле чертежа. Для конкретизации измеряемой величины около изображения прибора (справа от него) необходимо указывать наименование или символ измеряемой величины, например, «Напряжение», «Ток», рН, О2 и т. д. Для обозначения величии, не предусмотренных данным стан­дартом, могут быть использованы резервные буквы В, N, О; при этом многократно применяемые величины следует обозначать одной и той же резервной буквой. Резервные буквенные обозначения должны быть расшифрованы на схеме. Вводной и той же документации не допускается применение одной резервной буквы для обозначения разных величии. Таблица 2.2 - Дополнительные условные обозначения преобразователей сигналов и вычислительных устройств Наименование Обозначение Род энергии сигнала: электрический пневматический гидравлический Форма сигнала: аналоговый дискретный Операции, выполняемые вычислительным устройством: суммирование умножение величины сигнала на постоянный коэффици­ент К перемножение величин двух и более сигналов деление величин друг на друга возведение величины сигнала f в степень n извлечение из величины сигнала корня степени n логарифмирование дифференцирование интегрирование изменение знака сигнала ограничение верхнего значения сигнала ограничение нижнего значения сигнала Связь с вычислительным комплексом: передача сигнала на ЭВМ вывод информации с ЭВМ Е Р G А D  К  : fn lg dx/dt X(-1) Max min Bi Вo Условные обозначения других приборов, используемых на схемах, показаны на рисунке 2.32: - исполнительный механизм (общее обозначение). Положение регулирующего органа при прекра­щении подачи энергии или управляющего сиг­нала не регламентируется, – рисунок 2.32, а; - исполнительный механизм, открывающий регули­рующий орган при прекращении подачи энергии или управляющего сигнала, – рисунок 2.32, б; - исполнительный механизм, закрывающий регули­рующий орган при прекращении подачи энер­гии или управляющего сигнала, – рисунок 2.32, в; - исполнительный механизм, оставляющий регули­рующий орган в неизменном положении при прекращении подачи энергии или управляющего сигнала, - рисунок 2.32, г; - исполнительный механизм с дополнительным руч­ным приводом (обозначение может применяться в сочетании с любым из дополнительных зна­ков, характеризующих положение регулирующе­го органа при прекращении подачи энергии или управляющего сигнала), – рисунок 2.32, д; - автоматическая защита из системы противоаварийной защиты (ПАЗ, см. рисунок 2.32,е); - технологическое отключение (включение) из системы управления (см. рисунок 2.32, ж); - регулирующий орган (задвижка, клапан и т.д.), – рисунок 2.32, и; - регулирующий клапан, открывающийся при прекращении подачи воздуха (нормально открытый), – рисунок 2.32, к; - регулирующий клапан, закрывающийся при прекращении подачи воздуха (нормально закрытый), – рисунок 2.32, л; - управляющий электропневматический клапан, – рисунок 2.32, м; - отсекатель с приводом (запорный клапан), – рисунок 2.32, н; - электрозадвижка, – рисунок 2.32, п; - пневмоотсекатель, – рисунок 2.32, р; - отборное устройство без постоянно подключенного прибора (служит для эпизодического подключения приборов во время наладки, снятия характеристик и т. п.), – рисунок 2.32, с. Рисунок 2.32 3.2 Примеры построения условных обозначений приборов и средств автоматизации (В скобках указаны примеры типов приборов) Первичный измерительный преобразователь для измерения температуры, установленный по месту (например, термоэлектрический преобразователь (термопара), термопреобразователь сопротивления, термобаллон манометрического термометра, датчик пирометра и т.д.). Пример: термоэлектрический термометр ТХА‑0515 градуировки ХА; датчик Метран-201-ТХА гр. ХА. Прибор для измерения температуры показывающий (термометры ртутный, манометрический и т.д.). Пример: термометр … Прибор для измерения температуры показывающий, установленный на щите (милливольтметр, логометр, потенциометр (типа КСП и др.), мост автоматический (типа КСМ и др) и т.д.). Прибор для измерения температуры бесшкальный с дистанционной передачей показаний, установленный по месту. Пример: Преобразователь термоЭДС в стандартный токовый сигнал 0…5 мА, гр. ХА, марка Ш-72. Прибор для измерения температуры одноточечный регистрирующий, установленный на щите (милливольтметр самопишущий, логометр, потенциометр и т.д.). Прибор для измерения температуры с автоматическим обегающим устройством регистрирующий, установленный на щите (термометр манометрический, милливольтметр, потенциометр, мост и т.д.). Пример: Автоматический электронный потенциометр ТСП-4 градуировки ХА (для термопар ТХА). Прибор для измерения температуры регистрирующий, регулирующий, установленный на щите (термометр манометрический, милливольтметр, потенциометр и т.д.). Пример: Автоматический электронный потенциометр ТСП-4 градуировки ХА (для термопар ТХА) с блоком пневматического регулятора. Регулятор температуры бесшкальный, установленный по месту (дилатометрический регулятор температуры и д.р.). Комплект для измерения температуры регистрирующий, регулирующий, снабженный станцией управления, установленный на щите (пневматический вторичный прибор, например, ПВ 10.1Э системы «Старт» с регулирующим блоком ПР 3.31). Прибор для измерения температуры бесшкальный с контактным устройством, установленный по месту (реле температурное). Байпасная панель дистанционного управления, установленная на щите. Переключатель электрических цепей измерения (управления), переключатель для газовых (воздушных) линий, установленный на щите. Прибор для измерения давления (разряжения), показывающий, установленный по месту (любой показывающий манометр, дифманометр, напоромер и т.д.). Пример: Электроконтактный манометр ЭКМ-1, пружинный манометр ОБМ1-160. Прибор для измерения перепада давления показывающий, установленный по месту (дифманометр показывающий). Прибор для измерения давления (разряжения) бесшкальный с дистанционной передачей показаний, установленный по месту (дифманометр бесшкальный с пневмо- или электропередачей). Пример 1: Преобразователь абсолютного давления Сапфир-22М-ДА-2020 с верхним пределом измерений 2,5...10 кПа. Пример 2: Манометр сильфонный с пневмовыходом 0,02…0,1 МПа типа МС-П1. Прибор для измерения давления (разряжения) регистрирующий, установленный на щите (самопишущий манометр или любой другой вторичный прибор для регистрации давления). Прибор для измерения давления с контактным устройством, установленный по месту (реле давления). Прибор для измерения давления (разряжения) показывающий с контактным устройством, установленный по месту (электроконтактный манометр и т.д.). Регулятор давления прямого действия «до себя». Первичный измерительный преобразователь для измерения расхода, установленный по месту (диафрагма, сопло Вентури датчик индукционного расходомера и т.д.). Пример: Диафрагма камерная ДК 6-100 (давление 6 кгс/см2, условный диаметр 100 мм). Прибор для измерения расхода бесшкальный с дистанционной передачей показаний, установленный по месту (бесшкальный дифманометр, ротаметр с пневмо- или электропередачей). Пример 1: Преобразователь измерительный разности давлений Сапфир-22М-ДД-2420 с верхним пределом измерений 2,5...10 кПа. Пример 2: Дифманометр сильфонный с пневмовыходом 0,02…0,1 МПа типа ДС‑П1. Прибор для измерения соотношения расходов регистрирующий, установленный на щите (любой вторичный прибор для регистрации соотношения расходов). Прибор для измерения расхода показывающий, установленный по месту (дифманометр или ротаметр показывающий и т.д.). Пример 1: Преобразователь измерительный разности давлений Сапфир-22М-ДД-2420 с верхним пределом измерений 2,5...10 кПа. Пример 2: Дифманометр сильфонный с пневмовыходом 0,02…0,1 МПа типа ДС‑П1. Прибор для измерения расхода интегрирующий показывающий, установленный по месту (любой счетчик-расходомер с интегратором). Прибор для измерения расхода показывающий интегрирующий, установленный на щите (показывающий дифманометр с интегратором). Прибор для измерения расхода интегрирующий с устройством для выдачи сигнала после прохождения заданного количество вещества, установленный по месту (счетчик-дозатор). Первичный измерительный преобразователь для измерения уровня, установленный по месту (датчик электрического или емкостного уровнемера). Пример 1: Уровнемер буйковый с пневмовыходом 0,02…0,1 МПа типа УБ-П. Пример 2: Преобразователь измерительный разности давлений Сапфир-22М-ДД-2420 с верхним пределом измерений 2,5...10 кПа. Прибор для измерения уровня показывающий, установленный по месту. Прибор для измерения уровня с контактным устройством, установленный по месту (реле уровня). Прибор для измерения уровня с контактным устройством бесшкальный с дистанционной передачей показаний, установленный по месту (уровнемер бесшкальный с пневмо- или электропередачей). Прибор для измерения уровня бесшкальный регулирующий с контактным устройством, установленный по месту (электрический регулятор-сигнализатор уровня с блокировкой по верхнему уровню). Прибор для измерения уровня показывающий с контактным устройством, установленный на щите (вторичный показывающий прибор с сигнализацией верхнего и нижнего уровня). Пример: Электроконтактный манометр ЭКМ-1. Прибор для измерения плотности раствора бесшкальный с дистанционной передачей показаний, установленный по месту (датчик плотномера с пневмо- или электропередачей). Прибор для измерения размеров показывающий, установленный по месту (толщиномер). Прибор для измерения любой электрической величины показывающий, установленный по месту. Вольтметр. Амперметр. Ваттметр Прибор для управления процессом по временной программе, установленный на щите (командный пневматический прибор, многоцепное реле времени и т.д.). Прибор для измерения влажности регистрирующий, установленный на щите (вторичный прибор влагомера и т.д.). Первичный преобразователь для измерения качества продукта, установленный по месту (датчик рН-метра и т.д.). Прибор для измерения качества продукта показывающий, установленный по месту (газоанализатор на кислород и т.д.). Прибор для измерения качества продукта регистрирующий регулирующий, установленный на щите (вторичный самопишущий прибор регулятора концентрации серной кислоты в растворе и т.д.). Прибор для измерения радиоактивности показывающий с контактным устройством, установленный по месту (прибор для показаний и сигнализации предельно допустимых значений  и -излучений). Прибор для измерения частоты вращения привода регистрирующий, установленный на щите (вторичный прибор тахогенератора). Прибор для измерения нескольких разнородных величин регистрирующий, установленный по месту (самопишущий дифманометр-расходомер с дополнительной записью давления и температуры). Прибор для измерения вязкости раствора показывающий, установленный по месту (вискозиметр показывающий). Прибор для измерения массы продукта показывающий с контактным устройством, установленный по месту (устройство электронно-тензометрическое сигнализирующее и т.д.). Прибор для контроля погасания факела печи бесшкальный с контактным устройством, установленный на щите (вторичный прибор запально-защитного устройства; применение резервной буквы В должно быть оговорено на поле схемы). Преобразователь сигнала, установленный на щите (входной и выходной сигналы – электрические; нормирующий преобразователь и т.д.). Преобразователь сигнала, установленный по месту (входной сигнал пневматический, выходной – электрический; электропневмопреобразователь ЭПП-63 и т.д.). Устройство, выполняющее функцию умножения на постоянный коэффициент К. Пусковая аппаратура для управления электродвигателем (магнитный пускатель, контактор и т.д.; применение резервной буквы N должно быть оговорено на поле схемы). Аппаратура, предназначенная для ручного дистанционного управления, установленная на щите (кнопка, ключ управления, задатчик и т.д.). Аппаратура для ручного дистанционного управления, снабженная устройством для сигнализации, установленная на щите (кнопка с лампочкой и т.д.). Ключ управления, предназначенный для выбора управления, установленный на щите. 3.3 Основные принципы построения функциональных схем автоматизации ФСА представляют собой технологическую схему с нанесенными на нее обозначениями контрольно-измерительных приборов. Технологическое оборудование чертится обычными линиями, контрольно-измерительное – тонкими. При этом первичные преобразователи (датчики) ХЕ (для упрощения буквой Х обозначен произвольный технологический параметр; вместо него может быть любое обозначение из принятых: температура Т, расход F и т.д.), показывающие приборы, установленные по месту XI (TI, LI, FQI, PI и т.д.) и исполнительные устройства (клапаны, задвижки и др.) показываются непосредственно на схеме. Прочие приборы сносятся в таблицу, которая расположена ниже схемы и имеет как минимум две строки, обозначенных «По месту» и «На щите». Существует несколько наиболее распространенных вариантов ФСА. а) б) в) г) д) е) Рисунок 2.33 Вариант 1. Измерение и индикация технологического параметра по месту (XI). Обычно эта функция возлагается на один прибор, в конструкцию которого входят датчик, преобразователь и шкала (индикатор). Прибор отображает значение измеренного параметра непосредственно в месте измерения и часто не имеет возможности вывода сигнала на щит. К таким приборам относятся градусники, стеклянные уровнемеры, расходомеры-счетчики и т.д. Прибор обозначается одной окружностью (см. рисунок 2.33, а). Вариант 2. Измерение с индикацией на щите оператора (XI, рисунок 2.33,б). Поскольку щит оператора, как правило, располагается на расстоянии от нескольких метров до нескольких десятков километров от места измерения технологического параметра, а сам технологический параметр не представляется возможным вывести на щит (например, температуру невозможно передавать на расстояние), то используется система из трех приборов: первичного преобразователя (датчика ХЕ), вторичного преобразователя (ХТ) и индикатора (XI). Цепочка передачи сигнала: XE  [XT]  XI (квадратные скобки показывают, что вторичный преобразователь может отсутствовать). Датчик измеряет технологический параметр, преобразует его в какой-либо сигнал, удобный для дальнейшей передачи (напряжение, ток, давление и т.д.) и передает его вторичному преобразователю. Вторичный преобразователь усиливает этот сигнал, преобразует его в один из унифицированных сигналов и передает далее. Вторичный преобразователь может отсутствовать, если, например, с выхода датчика уже поступает унифицированный сигнал. Показывающий прибор (XI) на щите у оператора, получив сигнал, отображает его на шкале (индикаторе). Если унифицированный сигнал токовый, то показывающий прибор – амперметр, если напряжение – вольтметр или потенциометр, если пневматический – манометр. Вариант 3. Измерение с индикацией и регистрацией (XIR или XR, рисунок 2.33, в). Принцип действия схемы аналогичен предыдущему варианту, но вместо показывающего прибора на щите устанавливается регистрирующий. Как правило, регистрирующие приборы одновременно показывают на шкале или индикаторе текущий регистрируемый параметр, т.е. выполняют одновременно функцию индикации. Цепочка передачи сигнала: XE  [XT]  XIR. Вариант 4. Сигнализация технологического параметра (XIA, рисунок 2.33,г). Существуют показывающие приборы, которые позволяют сигнализировать звуковым или световым сигналом факт выхода контролируемого параметра за допустимые пределы. Схема в этом случае будет аналогична варианту 2, но с выводом сигнала на лампочку или звуковой сигнал. Цепочка передачи сигнала: XE  [XT]  XIА  лампочка. Вариант 5. Измерение с индикацией, регистрацией и сигнализацией на щите (XIRA, рисунки 2.33,д и 2.33,е). Для реализации перечисленных функций либо на щит устанавливается прибор, одновременно выполняющий их, либо используется комбинация схем из вариантов 3 и 4. В первом случае цепочка передачи воздействий: XE  [XT]  XIRА  лампочка. Во втором производится ветвление сигнала с первичного или вторичного преобразователя на два прибора: на регистратор (XIR) и на прибор с сигнализацией (XIA): XE  [XT]  XIR  XIА  лампочка. а) б) Рисунок 2.34 Вариант 6. Регулирование (XIC, рисунок 2.34,а). Регулирование подразумевает наличие регулятора и управляющего воздействия на объект. На предприятиях нефтеперерабатывающей, газовой и химической промышленности для реализации управляющих воздействий на объект управления в основном используются задвижки, клапаны и другие устройства дроссельного типа. Принципы построения современных систем управления требуют при регулировании отображения регулируемого параметра для контроля за процессом регулирования, поэтому дополнительно реализуется функция индикации: XE  [XT]  XIС  задвижка. Вариант 7. Регулирование, регистрация, индикация и сигнализация технологического параметра (XIRCA, рисунок 2.34,б). Функции также реализуются с помощью единого устройства, которое позволяет это сделать (например, с помощью пишущего потенциометра КСП-4 со строенными блоками регулирования и сигнализации), либо с помощью нескольких устройств, установленных на щите и реализующих каждое свою функцию. Ветвление сигнала также идет после первичного или вторичного преобразователя. Далее несколько схем рассматривается более подробно. 3.4 Примеры схем контроля температуры 1 Индикация и регистрация температуры (TIR, рисунок 2.35) 101-1 Термоэлектрический термометр тип ТХА, гр. ХА, пределы измерения от –50 С до 900 С, материал корпуса Ст0Х20Н14С2, марка ТХА-0515 101-2 Преобразователь термоЭДС в стандартный токовый сигнал 0…5 мА, гр. ХА, марка Ш-72 101-3 Миллиамперметр показывающий регистрирующий на 2 параметра, марка А-542 Примечание - Другие виды амперметров А-502, А-503 – показывающие, А-542, А-543 – регистрирующие (последняя цифра – число параметров); А-100 – показывающий на 1 параметр. 2 Индикация, регистрация и регулирование температуры с помощью пневматического регулятора (TIRС, пневматика, рисунок 2.36) 102-1 то же, что 101-1 102-2 то же, что 101-2 102-3 электропневмопреобразователь, входной сигнал 0…5 мА, выходной – стандартный пневматический 0,02…0,1 МПа, марка ЭПП-63 (или ЭПП-180) 102-4 пневматический вторичный прибор на 3 параметра со станцией управления, марка ПВ 10.1Э (с электроприводом диаграммной ленты) 102-5 Пневматический ПИ-регулятор ПР 3.31 Примечание - Регуляторы ПР 2.31 сняты с производства. 3 Индикация и регулирование температуры с помощью микропроцессорного регулятора (TIС, электрическая ветвь, рисунок 2.37) 103-1 то же, что 101-1 103-2 Трехканальный микропроцессорный регулятор типа «Протерм-100» 103-3 Регулирующий клапан для неагрессивных сред, корпус из чугуна, предельная температура Т = 300 С, давление Ру = 1,6 МПа, условный диаметр Dу = 100 мм, тип 25нч32нж. 4 Индикация, регистрация, сигнализация и регулирование температуры с помощью потенциометра (моста) (TIRС, электрическая ветвь, рисунок 2.38) 104-1 то же, что 101-1 104-2 Автоматический электронный потенциометр на 1 точку со встроенными устройствами регулирования и сигнализации, тип КСП-4 (или автоматический электронный мост типа КСМ-4 и т.д.) 104-3 Лампа сигнальная Л-1 104-4 то же, что 103-3 5 Измерение темпера­туры многоточечным прибором (TJIR, рисунок 2.39) 105-1 – 105-3 Термопреобразовате­ли сопротивления (ТСП-6097), 105-4 - электронный мост (КСП-4) 3.5 Примеры схем контроля давления 1 Индикация давления (PI) 210-1 Манометр пружинный ОБМ1-160 2 Сигнализация давления (PA, рисунок 2.41) 202-1 Пневматический первичный преобразователь давления, предел измерения 0… 1,6 МПа, выходной сигнал 0,02…0,1 МПа, марка МС-П-2 (манометр сильфонный с пневмовыходом) 202-2 Электроконтактный манометр с сигнальной лампой ЭКМ-1 202-3 то же, что 104-3. 3 Индикация, регистрация и регулирование давления (PIRC, пневматика, рисунок 2.42) 203-1 то же, что 202-1 203-2 то же, что 102-4 203-3 то же, что 102-5 203-4 то же, что 103-3 4 Индикация и регистрация давления (PIR, электрическая ветвь, рисунок 2.43) 204-1 Первичный преобразователь давления со стандартным токовым выходом 0…5 мА, марка МС-Э (или Сапфир-22ДИ и т.д.) 204-2 то же, что 101-3 5 Индикация, регистрация, регулирование и сигнализация давления (PIRCA, пневматика, рисунок 2.44) 205-1 то же, что 202-1; 205-2 то же, что 102-4; 205-3 то же, что 102-5; 205-4 то же, что 103-3; 205-5 то же, что 202-2; 205-6 то же, что 202-3. 3.6 Схемы контроля расхода Схемы контроля уровня аналогичны схемам контроля давления, поскольку его значение при измерении либо преобразуется в давление (см. рисунок 2.45,а), либо датчики уровня, как и датчики давления, имеют на выходе стандартный пневматический или электрический сигнал (см. рисунок 2.45,б). Для измерения расхода жидкости первичные преобразователи устанавливаются в сечении трубопровода, поэтому на схеме их обозначения также, как правило, изображаются встроенным в трубопровод. При использовании сужающих устройств, например, диафрагм, перепад давлений на них замеряется дифманометрами, поэтому схемы автоматизации аналогичны схемам контроля давления. Прочие расходомеры, как правило, уже имеют на выходе стандартный сигнал. Примеры схем: 301-1 Диафрагма марки ДК6-50-II-а/г-2 (диафрагма камерная, давление Ру = 6 атм, диаметр Dу = 50 мм) 301-2 Дифманометр с пневмовыходом 0,02…0,1 МПа, марка ДС-П1 (для пневматики) или «Сапфир-22ДД» (для электрической схемы) 302-1 Ротаметр РД-П (с пневмовыходом) или РД-Э (с электрическим выходом) 1 Индикация и регистрация расхода (FQIR, рисунок 2.46) 303-1 то же, что 301-1 303-2 Вторичный прибор — дифманометр ДСС-712Н. 2 Индикация и регистрация расхода (FIR, электрическая ветвь, рисунок 2.47) 304-1 то же, что 301-1 304-2 Дифманометр с эл. выходом 0 – 5 мА «Сапфир-22ДД» 304-3 то же, что 101-3 3 Индикация, регистрация и регулирование расхода (FIRC, пневматика, рисунок 2.48) 305-1 то же, что 301-1 305-2 Дифманометр с пневмовыходом 0,02…0,1 МПа, марка ДС-П1 305-3 то же, что 102-4 305-4 то же, что 102-5 305-5 то же, что 103-3 4 Каскадно-связанное (многоконтурное) регулирование расхода с коррекцией по уровню (FIRC, LIRC, пневматика, рисунок 2.49) 306-1 Преобразователь уровня 13УБ08 306-2 Вторичный прибор со станцией управления ПВ 10.1Э 306-3 Регулятор пневматический ПР 3.31 307-1 Диафрагма камерная ДК 6-50 307-2 Преобразователь расхода 13ДДП 307-3 Вторичный прибор со станцией управления ПВ 10.1Э 307-4 Регулятор пневматический ПР 3.31 307-5 Переключатель 307-6 То же, что 103-3 Примечание - Переключатель обеспечивает переход на одноконтурное регулирование уровня. Для получения схемы регулирования расхода без коррекции по уровню, а также для ручного регулирования используется станция управления в приборе 307-3 (переключатель находится в положении многоконтурного регулирования). Таблица 2.3 - Форма спецификации к ФСА Поз. Параметры среды, измеряемые параметры Наименование и техническая характеристика Марка К-во Приме- чание 100-1 101-1 103-2 Давление в аппарате, Рmax = 0,5 МПа Манометр сильфонный с пневмовыходом, вых. сигнал 0,02…0,1 МПа, пределы измерений 0…1,6 МПа МС-П2 3 По месту Примечание - Приборы в спецификации могут быть сгруппированы по позициям на схеме или по маркам. Таблица 2.4 - Примеры изображения контуров контроля на технологических схемах Обозначение Наименование схемы Измерение температуры с показанием на дисплее АСУ ТП Измерение температуры с регистрацией, предварительной сигнализацией и блокировкой по аварийному значению (максимуму) Измерение уровня с регистрацией и сигнализацией максимального уровня Измерение уровня с сигнализацией и блокировкой по аварийному значению (минимуму) Регулирование расхода с регистрацией значения Измерение давления с сигнализацией и блокировкой по аварийному значению (минимуму) Измерение давления с регистрацией значения Измерение расхода с регистрацией, предварительной сигнализацией и блокировкой по аварийному значению Продолжение таблицы 2.4 Управление электрозадвижкой (без блокировки) Управление электрозадвижкой (с блокировкой) Управление электронасосом Контроль и сигнализация по максимальному и минимальному уровням в емкости Контроль и сигнализация минимального давления в трубопроводе Часть 3. Современные системы управления производством Современные информационные технологии и технологии управления ставят в качестве основных две задачи: 1) повышение эффективности производства за счет улучшения процесса сбора, обработки информации и ее использования для целей управления; 2) обеспечение простоты решения предыдущей задачи, т.е. реализация дружественного человеко-машинного интерфейса (MMI). 1 Структура современной АСУТП АСУ ТП – автоматизированная система управления технологическими процессами, имеющая 2 или 3 уровня и выполняющая следующие функции: - сбор информации; - поддержание технологических параметров на заданных значениях; - контроль за технологическими параметрами, для которых не выполняются функции регулирования; - сигнализация; - блокировка управлений, являющихся результатом ошибочных действий технологического персонала; - противоаварийная защита (ПАЗ) при возникновении аварийных ситуаций. Упрощенно структуру АСУТП можно представить в следующем виде (см. рисунок 3.1). Рисунок 3.1 - Структура информационных потоков АСУ ТП Первый (нижний) уровень АСУТП является уровнем датчиков, исполнительных механизмов и контроллеров, которые устанавливаются непосредственно на технологических объектах. Их деятельность заключается в получении параметров процесса, преобразовании их в соответствующий вид для дальнейшей передачи на более высокую ступень (функции датчиков), а также в приеме управляющих сигналов и в выполнении соответствующих действий (функции исполнительных механизмов). Задачами уровня являются: - сбор информации об измеряемых технологических параметрах процесса; - выработка управляющих воздействий на технологический процесс с целью поддержания технологических параметров на заданных значениях или изменения их по определенным законам; - сигнализация о выходе их за заданные пределы; - блокировка ошибочных действий персонала и управляющих устройств; - противоаварийная защита (ПАЗ) процесса по факту аварийных событий. Подсистемы этого уровня поддерживают параметры технологического процесса на заданных значениях и могут быть реализованы с использованием «традиционных» методов регулирования динамическими объектами. Второй (средний) уровень - уровень производственного участка (цеха). Его функции: - сбор информации, поступающей с нижнего уровня, ее обработка и хранение; - выработка управляющих сигналов на основе анализа информации; - передача информации о производственном участке на более высокий уровень; - вычисление неизмеряемых параметров, в частности, показателей качества (ПК) продуктов, технико-экономических показателей; - сведение материальных балансов; - архивирование информации; - генерация отчетов; - диагностика и защита от сбоев в элементах подсистем нижнего уровня; - определение настроек управляющих устройств (УУ) и уставок локальных регуляторов подсистем I уровня; - изменение структуры локальных подсистем (переконфигурирование, включение/выключение, переход в ручное управление и т.д.). На данном уровне производится оптимизация технологических процессов по технологическим показателям. Третий (верхний) уровень в системе автоматизации занимает т.н. уровень управления и относится к системе управления предприятием (АСУП). На этом уровне осуществляется контроль за производством продукции и оптимизация по технико-экономическим и экономическим показателям. Этот процесс включает в себя сбор поступающих с производственных участков данных, их накопление, обработку и выдачу руководящих директив нижним ступеням. Задачи управления данного уровня: - оптимизация экономических показателей производства; - управление по экономическим и технико-экономическим показателям; - сведение материальных балансов; - архивирование информации; - составление производственных планов и т.д. Следует отметить, что некоторые задачи второго и третьего уровней перекрываются и в ряде случаев эти два уровня объединяются в один. Рисунок 3.2 – Развернутая структура современной АСУТП Атрибутом этого уровня является центр управления производством, который может состоять из трех взаимопроникающих частей: 1) операторской части, 2) системы подготовки отчетов, 3) системы анализа тенденций. Операторская часть отвечает за связь между оператором и процессом на уровне управления. Она выдает информацию о процессе и позволяет в случае необходимости вмешательство в ход автоматического управления. Обеспечивает диалог между системой и операторами. Система подготовки отчетов выводит на экраны, принтеры, в архивы и т.д. информацию о технологических параметрах с указанием точного времени измерения, выдает данные о материальном и энергетическом балансе и др. Система анализа тенденций дает оператору возможность наблюдать за технологическим параметрами и делать соответствующие выводы. На верхнем уровне АСУ ТП размещены мощные компьютеры, выполняющие функции серверов баз данных и рабочих станций и обеспечивающие анализ и хранение всей поступившей информации за любой заданный интервал времени. а также визуализацию информации и взаимодействие с оператором. Основой программного обеспечения верхнего уровня являются пакеты SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition - системы управления и доступа к данным). Структура современной АСУТП в развернутом виде представлена в виде (см. рисунок 3.2). 2 Аппаратная реализация систем управления 2.1 Средства измерения технологических параметров Во всем сообществе электронных средств промышленной автоматизации в последнее время появилась ниша приборов с цифровым способом передачи данных, то есть на смену господствовавшему в течение почти 25 лет стандарту 0...20 мА (4...20 мА и др.) приходит двоичный способ представления информации в системах управления и регулирования. Преимущества данного способа: повышенная точность передачи данных, возможность обнаружения и устранения ошибок при передаче, возможность использования одной линии связи для работы нескольких устройств, а также использование одной линии для передачи как аналоговых, так и цифровых сигналов (например, HART-протокол) и т.д. С развитием технических средств автоматизации менялись методы измерения и идеология построения самих систем измерения и управления. Далее рассматривается аппаратная реализация первого (нижнего) уровня современной АСУТП, объединяющего информационные системы сбора и первичной обработки информации. В настоящее время применяют т.н. «интеллектуальные датчики». Этот термин означает, что устройство имеет встроенный микропроцессор, который позволяет осуществлять определенные функции. Интеллектуальный датчик может давать более точные показания благодаря применению числовых вычислений для компенсации нелинейностей чувствительного элемента или температурной зависимости. Так, основная погрешность приборов серии «Метран-45» составляет 0,25 % от шкалы, а основная погрешность интеллектуального датчика серии 3051 Coplanur (фирма Fisher-Rosemount Inc.) - 0,075 %. В круг возможностей некоторых приборов входит измерение нескольких параметров и пересчет их в одно измерение (например, объемный расход , температуру и давление в массовый расход, т.н. многопараметрические датчики), функции встроенной диагностики, автоматическая калибровка. Некоторые интеллектуальные приборы (например, семейство приборов Rosemount SMART FAMILY) позволяют посылать в канал передачи и аналоговый сигнал, и цифровой. В случае одновременной трансляции обоих видов сигналов аналоговый используется для трансляции значения измеренного параметра, а цифровой - для функций настройки, калибровки, а также позволяет считывать измеряемый параметр. Эти устройства обеспечивают преимущества цифровой связи и, в то же время, сохраняют совместимость и надежность аналоговых средств, которые требуются для существующих систем. Считывание измеряемого параметра в цифровой форме повышает точность за счет ограничений операций цифро-аналогового и аналого-цифрового преобразований сигнала 4...20 мА. Но цифровой способ измерения вносит задержку в измерения (время, затраченное на последовательную передачу информационной посылки), которая может быть неприемлема для управления быстродействующими контурами. Цифровой датчик позволяет хранить дополнительную информацию о процессе (тэг, описатель позиции измерения, диапазон калибровки, единицы измерения), записи о процедурах его обслуживания и т.п., считываемой по запросу. Многопараметрические приборы содержат базу данных по физическим свойствам измеряемых жидкостей и газов. При выборе технических средств нужно руководствоваться, прежде всего, спецификой процесса. Если нет необходимости использования сложных алгоритмов управления, не требуется высокой точности, если объект не является рассредоточенным и не требует большого числа приборов, то здесь можно эффективно использовать пневматические средства. Данные устройства имеют некоторые преимущества перед электрическими: они пригодны для эксплуатации во взрыво- и пожароопасных зонах, вся автоматика защиты (отсечные клапаны) смонтированы на пневмосредствах, просты в эксплуатации, не требуют особой подготовки персонала, кроме того, требуют меньших материальных затрат на приобретение. Для объектов с сосредоточенными параметрами (например, установка на НПЗ) более подойдут аналоговые средства, которые обладают рядом преимуществ. В частности, использование стандартных уровней сигналов не ставит проблемы сопряжения устройств, скорость передачи подходит для использования в системах реального времени, высокая точность (до 0,05 %) и возможность применения нестандартной аппаратуры. Но потребность в большом количестве недешевых соединительных проводов, ограничения на дальность передачи и подверженность влиянию помех вносят неудобства при применении. Класс цифровых устройств, кроме перечисленных выше задач, позволяет решать задачи управления сильно распределенных объектов (например, НГДУ) и благодаря применению пары проводов для подключения нескольких приборов значительно уменьшает затраты на монтаж системы. Особенности применения цифровой передачи, из-за отсутствия единого стандарта, связаны с использованием различных протоколов связи. 2.2 Устройства связи с объектом Почти все технологические параметры, присутствующие в реальном промышленном объекте, имеют аналоговый или дискретный вид. Существует много датчиков, которые могут преобразовывать измеряемые величины только в аналоговый вид, а также много исполнительных механизмов, имеющих только аналоговые входные сигналы. С другой стороны, новейшие средства автоматизации, которые находят все большее применение в системах управления, используют цифровое представление обрабатываемых величин. Для того, чтобы связать между собой параметры, представленные в аналоговом/дискретном и цифровом виде, используются устройства связи с объектами (УСО). Таким образом, УСО являются неотъемлемой частью любой системы управления, в том числе использующей цифровые устройства (промышленные компьютеры, вычислительные сети и т.д.). Для представления места УСО в процессе автоматизации производства подобные системы можно теоретически изобразить в виде схемы (см. рисунок 3.3). Рисунок 3.3 Датчики, устанавливаемые на объекте, предназначены для первичного преобразования параметров в выходной сигнал для передачи в УСО. Исполнительные механизмы принимают управляющие сигналы, прошедшие через УСО, для воздействия на процесс. Связь между датчиками, исполнительными механизмами и УСО может быть аналоговой, дискретной или цифровой. Промышленный компьютер (РС) в системе играет роль управляющего элемента, принимающего цифровую информацию от УСО и вырабатывающего управляющие сигналы. Для связи между ним и УСО используется любой из цифровых интерфейсов (ЦИ), к числу которых относятся RS-232, RS-422, RS-485 и др. Данная схема является условной, поскольку в реальных системах модули УСО могут не присутствовать в виде самостоятельного устройства, а входить в состав датчиков или промышленных компьютеров. Примером служат датчики, которые осуществляют двойное (тройное и т.д.) преобразование измеряемой величины и выдающие на вход готовый цифровой сигнал. В этом случае граница между собственно первичным преобразователем и УСО проходит где-то внутри него. С другой стороны, УСО могут быть выполнены в виде АЦП/ЦАП-платы, вставляемой в ISA-слот компьютера. В этом случае аналоговые сигналы могут быть введены прямо в компьютер, где и преобразуются в цифровой код. В дальнейшем в качестве УСО будем рассматривать модули, платы и другие устройства, предназначенные для приема аналоговых и дискретных сигналов от объекта (независимо от того, сколько раз они были преобразованы внутри него), преобразования его в цифровой вид для передачи в компьютер (контроллер), а также для приема цифровых управляющих данных от РС и преобразования их в вид, соответствующий исполнительным механизмам объекта. Модули УСО - это конструктивно законченные устройства, выполненные в виде модулей, устанавливаемых, как правило, в специализированные платы, имеющие клеммные соединители для подвода внешних цепей (такие платы называют монтажными панелями), либо на стандартный несущий DIN-рельс. Модули УСО заключены в пластмассовый корпус и оснащены соответственно либо выводами для крепления на монтажных панелях, либо клеммными соединителями с винтовой фиксацией для крепления входных и выходных цепей. На УСО возлагают следующие функции: 1) Нормализация аналогового сигнала - приведение границ шкалы первичного непрерывного сигнала к одному из стандартных диапазонов входного сигнала аналого-цифрового преобразователя измерительного канала. Наиболее распространены диапазоны напряжений от 0 до 5 В, от -5 до 5 В, от 0 до 10 В и токовые: от 0 до 5 мА, от 0 до 20 мА, от 4 до 20 мА, от 1 до 5 мА. 2) Предварительная низкочастотная фильтрация аналогового сигнала - ограничение полосы частот первичного непрерывного сигнала с целью снижения влияния на результат измерения помех различного происхождения. На промышленных объектах наиболее распространены помехи с частотой сети переменного тока, а также хаотические импульсные помехи, вызванные влиянием на технические средства измерительного канала переходных процессов и наводок при коммутации исполнительных механизмов повышенной мощности. 3) Обеспечение гальванической изоляции между источниками сигнала и каналами системы. Помимо этих функций, ряд устройств связи с объектом может выполнять более сложные функции за счет наличия в их составе подсистемы аналого-цифрового преобразования и дискретного ввода-вывода, микропроцессора и средств организации одного из интерфейсов последовательной передачи данных. Простейшим устройством гальванической развязки является электромагнитное реле. Реле, как правило, инерционны, имеют относительно большие габариты и обеспечивают ограниченное число переключений при достаточно большом потреблении энергии. Развитие электроники привело к распространению компонентов, обеспечивающих оптическую развязку между цепями. УСО, построенные с использованием такой развязки, являются недорогими, высоконадежными и быстродействующими. Кроме того, они характеризуются высоким напряжением изоляции и низкой потребляемой мощностью. По характеру обрабатываемого сигнала УСО можно разделить на аналоговые дискретные и цифровые. Аналоговые УСО должны обладать большой точностью, хорошей линейностью и обеспечивать достаточно большое напряжение изоляции. Кроме того, желательными являются работа с различными источниками входных сигналов (токи, напряжения, сигналы от терморезисторов, термопар и т.д.), возможности быстрой замены и низкая стоимость. Дискретные УСО обеспечивают опрос датчиков с релейным выходом, концевых выключателей, контроль наличия в цепи напряжения, тока и т.д., а выходные УСО формируют сигналы для управления пускателями, двигателями и прочими устройствами. Дискретные УСО должны удовлетворять тем же требованиям, что и аналоговые. Кроме того, они должны обладать минимальным временем переключения, а выходные - обеспечивать коммутацию как можно более высоких напряжений и токов и вносить при этом минимум искажений, обусловленных переходными процессами, в коммутируемую цепь. Среди модулей УСО существуют также устройства, работающие только с цифровой формой информации. К ним относятся коммуникационные модули, предназначенные для обеспечения сетевого взаимодействия. Например, повторители, служащие для увеличения протяженности линии связи, преобразователи интерфейсов RS-232/RS-485. По направлению прохождения данных через УСО их можно разделить на 3 типа: 1) устройства ввода, обеспечивающие передачу сигнала с датчиков в устройство обработки и вывода сигналов для управления; 2) устройства вывода, предназначенные для формирования сигналов для исполнительных механизмов; 3) двунаправленные, то есть обеспечивающие ввод и вывод сигналов. Если рассматривать УСО с точки зрения назначения и конструктивного исполнения, то здесь можно выделить следующую классификационную структуру: 1 Устройства преобразования типа «а/д сигнал  ЦИ», т.е. преобразующие аналоговые и дискретные сигналы в цифровой вид для передачи по цифровому интерфейсу (ЦИ) и наоборот. Внутри этого типа можно выделить классы: 1.1 Модули аналогового/дискретного ввода/вывода, выполненные в одном конструктиве (см. рисунок 3.4,а). Пример: серия ADAM-4000 фирмы Advantech. 1.2 Устройства типа «а/д  модуль  м.п.  ЦИ» (м.п. - монтажная плата) (см. рисунок 3.4,б). Пример: модули фирм Grayhill, Analog Devices. 1.3 Устройства типа «а/д  модуль  м.п.  контроллер  ЦИ» (см. рисунок 3.4,в). Пример: контроллеры Grayhill. 2 Вспомогательные устройства: 2.1 Устройства типа «ЦИ  ЦИ», служащие для преобразования интерфейсов либо для организации новых сегментов измерительной сети (коммуникационные модули) (см. рис. 3.4, г). Пример: серия ADAM-4000 фирмы Advantech. 2.2 Модули нормализации и гальванической развязки («а/д  модуль  а/д»). Пример: серия ADAM-3000 фирмы Advantech. 3 Платы для ввода/вывода данных в PC: 3.1 Формирователь интерфейсов («ЦИ  плата  РС»). 3.2 Платы АЦП/ЦАП («а/д  плата  РС»). Рисунок 3.4 Некоторые УСО используют монтажные платы для установки модулей ввода/вывода. На некоторых из этих плат установлены АЦП/ЦАП-преобразователи и формирователи ЦИ. Устройства первого вида являются основными УСО, используемыми в автоматизации и поэтому широко представленными производителями. Эти устройства предназначены для реализации взаимодействия между вычислительной системой и датчиками непрерывных и дискретных параметров, а также для выдачи управляющих воздействий на исполнительные механизмы. Модули обеспечивают выполнение следующих функций: • прием и дешифрацию команд по цифровому каналу; • ввод и нормализацию аналоговых сигналов (ток и напряжение); • опрос состояния дискретных входов; • фильтрацию аналоговых и дискретных входных сигналов; • вывод аналоговых (ток и напряжение) и дискретных сигналов; • аналого-цифровое (для модулей аналогового ввода) преобразование; • цифро-аналоговое (для модулей аналогового вывода) преобразование; • преобразование шкалы значений непрерывных параметров в предварительно заданные единицы измерения; • формирование и передачу в адрес основной вычислительной системы информации, содержащей результат измерения или состояние дискретных входов, после получения соответствующего запросу по цифровому каналу. Настройка и калибровка многих модулей осуществляется программным способом путем передачи в их адрес соответствующих команд по информационной сети. Примером таких модулей, выполненных в виде единого отдельного устройства, являются модули серии ADAM-4000, производимые фирмой Advantech. Модули позволяют создавать на технологическом участке измерительную сеть, основанную на интерфейсе RS-485 и состоящую из нескольких сегментов. Взаимодействие между основной вычислительной системой (контроллером сети, КС) и модулями, объединенными в сеть, осуществляется путем передачи в адрес каждого модуля запроса, содержащего префикс типа команды, символьное представление сетевого адреса запрашиваемого модуля, число, соответствующее подтипу команды, и символ возврата каретки. Для программного обеспечения КС выдача запроса означает выдачу строки символов в последовательный порт. При получения команды встроенное программное обеспечение модуля производит проверку его корректности и идентификацию, после чего посылает в адрес КС запрашиваемую информацию в виде строки символов. Представителем 2-го класса этого типа УСО, т.е. УСО, представляющих собой набор модулей, устанавливаемых на монтажную плату, являются модули и платы фирм Analog Devices (серии 5В, 6В, 7В), Grayhill (серии 70G, 70, 70M, 73G), Opto22 и др. Особенностью этих модулей аналогового/дискретного ввода является то, что они сами по себе не обеспечивают цифрового интерфейса. Выходы этих модулей, как правило, частотные. При этом частота выходного сигнала линейно зависит от значения входного сигнала и меняется в определенном диапазоне (14,4 кГц...72 кГц). Таким образом, чтобы получить цифровое значение входного сигнала, нужно измерить частоту с выхода модуля либо через дискретный порт ввода/вывода либо программным способом, либо используя специализированные монтажные платы, преобразующие частоту в код. Стоимость такой платы ниже, чем для традиционной платы АЦП, поскольку она работает с частотным, т.е. дискретным сигналом, а значит, не содержит дорогих аналоговых цепей. Дополнительным достоинством устройств развязки данного класса является возможность установки на монтажную панель как аналоговых, так и дискретных модулей ввода/вывода, так как они совместимы по выводам. Входным сигналом для модулей вывода является управляющее слово в двоичном последовательном коде, которое проходит через опторазвязку и далее через буфер подается на ЦАП. Функцию посылки этого слова принимает на себя монтажная плата. К 3-му классу рассматриваемого типа УСО можно отнести микроконтроллеры фирмы Grayhill (OptoMux-MicroDAC, ProMux, MicroDAC LT, MicroLon, DeviceNet-DACNet и система OpenLine). Данные микроконтроллеры используют те же модули аналогового/дискретного ввода/вывода и монтажные платы, что и описанные выше. Отличительной чертой микроконтроллеров является то, что их семейства могут быть объединены в сеть и обеспечивать гибкие и недорогие решения при применении РС для управления и сбора данных. Кроме того, непосредственное расположение микроконтроллеров рядом с датчиками и исполнительными механизмами сокращает длину линий и увеличивает помехоустойчивость сети. Они подключаются по интерфейсу RS-422/485 к сетевому серверу, в качестве которого используется промышленный РС или обычный офисный. Коммуникационные модули предназначены для создания информационно-измерительных сетей, для увеличения протяженности линии связи или организации очередного сегмента сети (повторители). Кроме того, к этому типу можно отнести преобразователи интерфейсов RS‑232/RS‑485 и др. Они необходимы для обеспечения связи, например, между измерительной сетью предприятия, построенной на RS-485, и интеллектуальными датчиками, которые, как правило, используют интерфейс RS-232, или радиомодемами. Примером подобных систем являются коммуникационные модули серии ADAM‑4000 фирмы Advantech: ADAM-4510 - повторитель RS-485/RS-485, ADAM-4520 - преобразователь RS-232/RS-422/RS-485, ADAM-4521 - преобразователь RS-232//RS-485, ADAM-4550 - радиомодем с преобразованием RS-485/RS-232. Платы для ввода/вывода данных в РС работают с информацией, которая приходит либо через интерфейсы RS и др. (в случае с платами формирования интерфейсов), либо вводится в РС непосредственно в аналоговом/дискретном виде через платы АЦП. Данные платы устанавливаются непосредственно в слоты ISA (реже IPC) промышленного или обычного офисного РС. Платы АЦП/ЦАП используются непосредственно для ввода измеряемой величины в компьютер и/или для вывода управляющих сигналов. Данные платы, как правило, имеют дополнительно несколько каналов цифрового ввода/вывода. При выборе модулей УСО желательна ориентация на тот интерфейс, на основе которого построена измерительная сеть предприятия, так как в противном случае могут потребоваться модули преобразования интерфейсов. На выбор используемого интерфейса влияет топология сети и протяженность линий связи. Для разветвленных сетей и сетей с протяженными линиями (до 1200 м и более) наиболее подходящим является интерфейс RS-485. Количество устройств, подсоединенных к такой сети, ограничено 255. Выбор интерфейса RS-422 в большинстве случаев нецелесообразен, так как он не имеет широкого распространения. Для небольших локальных сетей с количеством устройств порядка нескольких единиц может быть использован RS-232. Его преимуществом является то, что он встроен во все промышленные и офисные РС и не требует дополнительных устройств. Недостаток - малая протяженность линий связи. Протяженные сигнальные линии от датчиков и исполнительных устройств к центральному контроллеру часто приводят к проблемам, связанными с недостаточной помехоустойчивостью и поиском неисправностей. Модули ввода/вывода серии ADAM-4000 фирмы Advantech наиболее целесообразно применять в распределенных системах сбора данных и прикладной области, для которых характерна невысокая скорость измерения параметров технологического процесса, подлежащих контролю. Функции локального, независимого от контроллера сети, управления представлены ограниченно и часто не удовлетворяют требованиям, выдвигаемым при постановке задачи комплексной автоматизации предприятия. 2.3 Аппаратная и программная платформа контроллеров Промышленные контроллеры и компьютеры, расположенные на среднем уровне АСУТП, играют роль управляющих элементов, принимающих цифровую информацию и передающих управляющие сигналы. До последнего времени роль контроллеров в АСУТП в основном исполняли PLC (Programmable Logic Controller - программируемые логические контроллеры) зарубежного и отечественного производства. Наиболее популярны в нашей стране PLC таких зарубежных производителей, как Allen-Braidly, Siemens, ABB, Modicon, а также отечественные модели: «Ломиконт», «Ремиконт», Ш-711, «Микродат», «Эмикон» и др. В связи с бурным ростом производства миниатюрных РС-совместимых компьютеров последние все чаще стали использовать в качестве контроллеров. Первое и главное преимущество РС-контроллеров связано с их открытостью, позволяющей применять в АСУ оборудование разных фирм. Теперь пользователь не привязан к конкретному производителю. Второе важное преимущество их заключается в более «родственных» связях с компьютерами верхнего уровня. В результате не требуются дополнительные затраты на подготовку персонала. Третье преимущество - более высокая надежность. Обычно различают физическую и программную надежность контроллеров. Под физической надежностью понимают способность аппаратуры устойчиво функционировать в условиях окружающей среды промышленного цеха и противостоять ее вредному воздействию. Под программной понимается способность программного обеспечения (ПО) устойчиво функционировать в ситуациях, требующих реакции в заданное время. Программная надежность определяется в первую очередь степенью отлаженности ПО. Поскольку в большинстве РС-контроллеров используются коммерческие широко распространенные и хорошо отлаженные операционные системы (Windows, Unix, Linux, QNX и др.), то следует ожидать, что программная надежность будет выше, чем у PLC. Операционные системы контроллеров должны удовлетворять не только требованиям открытости, но и требованиям работы в режиме реального времени, были компактны и имели возможность запуска из ПЗУ или флеш-памяти. 2.4 Промышленные сети Для организации эффективного управления производственным процессом все его этапы должны быть связаны информационными сетями. Сети, обеспечивающие информационные потоки между датчиками, контроллерами и разнообразными исполнительными механизмами, объединяются общим названием «промышленные сети» (FieldBus, полевая шина) [27, 44 - 53]. Fieldbus - это, во-первых, некий физический способ объединения устройств (например, RS485) и, во-вторых, программно-логический протокол их взаимодействия. Сейчас на рынке присутствует около 50 Fieldbus-систем. Системы, являющиеся продуктом только одного производителя, работающие по уникальным протоколам, носят название «закрытых систем» (closed / proprietary systems). Такие системы не обеспечивают совместимость приборов от разных производителей. Требованиям современной организации производства соответствуют «открытые системы» (open systems), которые приведены в соответствие специфичным требованиям всех производителей. Только на основе открытых систем может быть решена задача интеграции изделий разных производителей в одну сеть. Если некоторая fieldbus-технология относится к открытым системам, то она должна обладать следующим рядом принципиальных качеств: • включаемостью (interconnectivity), то есть возможностью свободного физического включения в общую сеть устройств от различных производителей; • взаимодействием (interoperability), то есть возможностью построения работоспособной сети на основе включения компонентов от различных поставщиков; • взаимозаменяемостью (inter-changeability) - возможностью замены компонентов аналогичными устройствами от других производителей. Fieldbus - это основополагающий термин, определяющий некоторую цифровую сеть, призванную заменить широко использовавшуюся ранее централизованную аналоговую 4-20 мА-технологию. Такая сеть является цифровой, двунаправленной, многоточечной, последовательной коммуникационной сетью, используемой для связи изолированных друг от друга (по функциям) таких устройств, как контроллеры, датчики, силовые привода и т. п. Каждое field-устройство обладает самостоятельным вычислительным ресурсом, позволяющим относить его к разряду интеллектуальных (smart fieldbus device). Каждое такое устройство способно самостоятельно выполнять ряд функций по самодиагностике, контролю и обслуживанию функций двунаправленной связи. Доступ к нему возможен не только со стороны инженерной станции, но и со стороны аналогичных ему устройств. Каждое устройство может выполнять функции управления, обслуживания и диагностики. В частности, оно может сообщать о возникающих ошибках и обеспечивать функции самонастройки. Это существенно увеличивает эффективность системы в целом и снижает затраты по ее сопровождению. В зависимости от области применения весь спектр промышленных сетей можно разделить на два уровня: 1) Field Level - промышленные сети этого уровня решают задачи по управлению производством, сбором и обработкой данных на уровне промышленных контроллеров; 2) Sensor / actuator Level - задачи сетей этого уровня сводятся к опросу датчиков и управлению работой исполнительных механизмов. Исторически все промышленные сети являются продуктом эволюции порта RS-232, который предназначался для подключения на двухпроводном шнуре одного периферийного устройства к персональной ЭВМ. Его применение ограничивалось дальностью передачи 15 м, которое удалось снять путем применения токовых петель и низковольтных дифференциальных протоколов RS-422. RS-422 обеспечил полнодуплексный режим (попеременная передача данных в обоих направлениях). Однако связь приемников (10 адресов) обеспечивалась одним передатчиком. Следующим шагом стало создание серийного протокола RS-485, предполагающего многоточечное подключение (32 адреса). Работая с COM-портом и витой парой, можно выбирать любое из подключенных устройств. Применяя репитеры, можно увеличить количество адресуемых устройств. Скорость передачи по линии заметно падает на максимальных расстояниях (1300 м - до 90 Кбод, 200 м - 500 Кбод). В настоящее время RS‑485 в чистом виде применяется для создания сетей сбора данных и общения с устройствами, для которых не существенны временные параметры (инертные процессы и низкоскоростные устройства). Таблица 3.1 - Характеристики стандартных физических интерфейсов Характеристика RS-232C ИРПС RS-422 RS-485 Вид передачи синхр./асинхр. асинхр. синхр./асинхр. синхр./асинхр. Среда передачи витая пара четырех проводная связь 2 инф. линии, 1 линия заземл. витая пара/две витые пары Помехочувствительность свойственная двухпроводной передаче уровень синфазных помех в канале до 3 В Способ кодирования 12 В 40 мА и 20 мА 12В Макс. число приемников / передатчиков на линии 1/1 1/10 32/32 Макс. длина линии (без повторителей), м 15 500 1300 Макс. скорость передачи, Кбод 38,4 6,6 90 90...500 Ограниченные скоростные возможности стандартного COM-порта (115 Кбод) привели к появлению новой сетевой идеологии нижнего уровня. В основе физического слоя (physical layer) практически всех полевых шин лежит протокол RS-485 как электрическое содержание среды передачи, различие состоит в своде правил движения информации. Для дискретных производств больше подходят асинхронные протоколы обмена. Но здесь возникает вопрос о времени отклика устройства и режиме реального времени. Еще необходимо учесть приоритетность запросов от устройств. Для (циклических) непрерывных производств более приемлемыми оказываются синхронные способы передачи. Обновление информации в контроллере осуществляется за фиксированный промежуток времени для самого удаленного узла. Этот режим позволяет работать на больших скоростях, но на ограниченных расстояниях. Синхронизация обеспечивается специальным MASTER-узлом с использованием еще одной дифференциальной пары проводов. MASTER-узел - это логический центр любой топологии. Ведомый узел (SLAVE) может активизировать среду передачи только по запросу ведущего узла (MASTER). Данный принцип является наиболее распространенной на контроллерном (Field Level) и датчиковом (Sensor / actuator Level) уровнях. Помимо принципа доступа MASTER/SLAVE в некоторых сетях реализован метод CSMA/CD. Здесь каждый блок данных содержит дополнительный идентификатор, который является приоритетом данного сообщения. Каждый узел-приемник выбирает предназначенные для него сообщения. Если вернуться к вопросу о выборе того или иного протокола связи, то здесь однозначного ответа дать нельзя. Выбор должен основываться на специфике следующих признаков: • непрерывность и дискретность процесса; • требование работы в реальном времени (РВ); • разбросанность или сосредоточенность контролируемых точек; • малая (до 2-3 десятков) или большая (до нескольких сот) информационная плотность; • степень электрической и(или) электромагнитной зашумленности; • стоимость варианта. Наиболее распространенными Fieldbus-шинами являются: CAN, LON, PROFIBUS, Interbus, WorldFIP, HART, ASI, ControlNet и др. Характеристики некоторых из них сведены в таблице 3.1 и приложении А. Сравнительная характеристика промышленных сетей приведена в таблице 3.2. Таблица 3.2 - Возможные области применения FieldBus Протокол Непре-рывное пр-во Дис-кретное пр-во Возможность работы в РВ Даль-ность до 3 км Даль-ность свыше 3 км К-во уст-в менее 33 К-во уст-в более 33 Работа в зашумл. зонах BITBUS + + + + + WorldFIP + + + + + CANBUS + + + + LonWorks + + + + HART + + + ASI + + + + + PROFIBUS- FMS + + + + + OP + + + + + + PA + + + + + + INTERBUS-S + + + При выборе коммуникационной технологии можно руководствоваться количественными параметрами (объем передаваемых полезных данных, максимальная длина шины, допустимое число узлов на шине, помехозащищенность и др.), ценовым критерием (затраты в расчете на один узел), популярностью, эффективностью решения задачи, простотой конфигурирования и т. д. При этом улучшение одного параметра может привести к ухудшению другого. [27] 3 Программная реализация систем управления 3.1 Виды программного обеспечения При решении задач реализации (построения) СУ обычно используются специализированные программные пакеты, которые достаточно условно можно разбить на подмножества: CASE–средства (Computer Aided Software Engineering), предназначенные для программирования задач, реализуемых подсистемами нижнего уровня АСУТП на промышленных микроконтроллерах (ремиконтах); ОСРВ - операционные системы реального времени: pSOS, VRTX, LynxOS, VxWorks, QNX, OS9 и др. [28, 29]; SCADA–системы (Supervisory Control And Data Acquisition), которые предназначены для автоматизированного конфигурирования АСУТП из таких элементов, как микроконтроллеры, компьютеры, технологические станции и т. д. и программирования задач, отнесённых к SCADA – уровню; ПТК - программно-технические комплексы: • Spectrum (Foxboro, США); • Intelligent Automation Series (Foxboro, США); • Centum, Yew Series (Yokogawa, Япония); • СКАТ (Россия); ЭСРВ - экспертные систем реального времени, к числу которых относятся: • G2 (фирма Gensym); • RTWorks (Talarian, США); • COMDALE/C (Comdale Tech., Канада); • COGSYS (SC, США); • ILOG Rules (ILOG, Франция); СУБД – системы управления базами данных. MRP-системы (MRP – Material Requirements Planning) - автоматизированное планирование потребности в сырье и материалах для производства; MRP II (Manufacturing Resource Planning) – планирование ресурсов предприятия; ERP-системы (ERP - Enterprise Resource Planning – планирование/управление ресурсами предприятия с точки зрения бизнеса); EAM-системы (EAM - Enterprise Asset Management - управление основными фондами и имуществом). Логика развития АСУТП в нефтегазовой промышленности диктует необходимость интеграции разработок специализированных аппаратно-программых средств, в дальнейшем встроенных систем, применяемых для обработки информации, контроля и управления рассредоточенными по территории объектами. 3.2 SCADA-системы Средний уровень (уровень управления по показателям качества продуктов и эффективности производства) может быть реализован с использованием SCADA-систем отечественных и зарубежных производителей, например [29 – 34]: • Trace Mode (AdAstra, Россия); • GENIE (Advantech, Тайвань); • Genesys (Iconics, США); • Real Flex (BJ, США); • FIX (Intellution, США); • Factory Suite, InTouch (Wanderware, США); • Citect (CiTechnologies, США) и др. Перечисленные выше программные продукты предназначены для использования на действующих технологических установках в реальном времени и, следовательно, требуют использования компьютерной техники в промышленном исполнении, отвечающей наиболее жестким требованиям в смысле надежности, стоимости и безопасности. К SCADA-системам предъявляются особые требования [30, 35]: - соответствие нормативам "реального времени" (в т.ч. и "жесткого реального времени"); - способность адаптироваться как к изменениям параметров среды в темпе с этими изменениями, так и к условиям работы информационно-управляющего комплекса; - способность работать в течение всего гарантийного срока без обслуживания (бесперебойная работа годами); - установка в отдаленных и труднодоступных местах (как географически - малообжитые районы, так и технологически - колодцы, эстакады). Основные возможности SCАDA-систем: - сбор первичной информации от устройств нижнего уровня; - архивирование и хранение информации для последующей обработки (создание архивов событий, аварийной сигнализации, изменения технологических параметров во времени, полное или частичное сохранение параметров через определенные промежутки времени); - визуализация процессов; - реализация алгоритмов управления, математических и логических вычислений (имеются встроенные языки программирования типа VBasic, Pascal, C и др.), передача управляющих воздействий на объект; - документирование как технологического процесса, так и процесса управления (создание отчетов), выдача на печать графиков, таблиц, результатов вычислений и др.; - сетевые функции (LAN, SQL); - защита от несанкционированного доступа в систему; - обмен информацией с другими программами (например, Outlook, Word и др. через DDE, OLE и т.д.). Понятие открытости ПО Открытость: аппаратная и программная [27, 30]. Аппаратная открытость – поддержка или возможность работы с оборудованием сторонних производителей. Современная SCADA не ограничивает выбора аппаратуры нижнего уровня, т.к. предоставляет большой выбор драйверов или серверов ввода-вывода. Программная открытость - для программной системы определены и открыты используемые форматы данных и процедурный интерфейс, что позволяет подключить к ней внешние, независимо работающие компоненты, в том числе разработанные отдельно программные и аппаратные модули сторонних производителей. Для подсоединения драйверов ввода-вывода к SCADA используются два механизма: - стандартный динамический обмен данными (DDE – Dynamic Data Exchange и др.), - по внутреннему протоколу, известному только фирме-разработчику. В большинстве SCADA используется DDE, однако из-за ограничений по производительности и надежности он не совсем пригоден для реального времени. Взамен него Microsoft предложила более эффективное средство: OLE (Object Linking and Embeddung – включение и встраивание объектов). Рисунок 3.5 На базе OLE появился новый стандарт OPC (OLE for Process Control), ориентированный на рынок промышленной автоматизации. Новый стандарт позволяет, во-первых, объединять на уровне объектов различные системы управления и контроля, во-вторых, устраняет необходимость использования различного нестандартного оборудования и соответствующих коммуникационных программных драйверов [30]. Варианты обмена SCADA-систем с приложениями и физическими устройствами через ОРС приведены на рисунке 3.5. Типичная последовательность действий при программировании SCADA-системы: 1) Формирование статического изображения рабочего окна: фон, заголовки, мнемосхема процесса и т.д. 2) Формирование динамических объектов каждого окна. Как правило, динамические объекты создаются с помощью специализированного графического редактора самого SCADA-пакета по жестко заданному алгоритму или на основе набора библиотечных элементов с последующим присвоением параметров (например, рукоятка на экране). 3) Описание алгоритмов отображения, управления, архивирования, документирования. Для этого имеются соответствующие встроенные языки программирования. Для программирования контроллеров и SCADA-систем стандартизированы 5 языков программирования (IEC 1131-3) [34, 36 – 39]: - SFC – Sequential Function Diagrams – последовательности функций, блок-схемы; - FBD – Functional Block Diagrams - язык функциональных блоков; - LD – Ledder Diagrams – язык релейных схем; - ST – Structured Text – язык, похожий на Pascal; - IL – Instruction List – язык мнемоник, ассемблер. Важно отметить, что использование данного стандарта полностью соответствует концепции открытых систем, а именно, делает программу для контроллера независимой от конкретного оборудования - ни от типа процессора, ни от операционной системы, ни от плат ввода-вывода. В настоящее время программы многих фирм поддерживают этот стандарт. Язык FBD Является графическим языком функциональных блоков (ФБ). Программа для контроллера представляется в виде набора функциональных блоков, соединенных дугами, имитирующими входные, выходные и промежуточные переменные (рисунок 3.6). В качестве входов могут быть любые константы и переменные. Входы конфигурируются (соединяются) с выходами и должны совпадать с ними по типу. Стандартная библиотека ФБ: - присваивание переменных, - логические операции (AND, OR, NOT, XOR и т.д.), - арифметические действия, - сравнение, - операции преобразования форматов, - доступ к системным параметрам (сброс счетчика, изменение параметров таймера и др.), - тригонометрические функции, - алгоритмы управления (реле, ПИД-закон) и др. Пример реализации логической функции y = (x1 AND NOT x2) OR x3 изображен на рисунке 3.7. Рисунок 3.6 Рисунок 3.7 Язык LD Является языком релейных схем, стандартным графическим вариантом класса языков релейно-контактных схем. Логические выражения описываются в виде реле. Ввиду своих ограниченных возможностей язык дополнен таймерами, счетчиками и т.д. Рисунок 3.8 Язык SFC Относится также к графическим языкам программирования и используется для описания алгоритмов в виде функциональных карт [20]. Язык был разработан в конце 1970-х годов во Франции и позже стал основой для разработки международного стандарта IEC 848 «Подготовка функциональных карт для управляющих систем». Функциональные карты описывают управляющие последовательности с помощью заранее определенных правил для управляющих действий, которые необходимо произвести в определенной последовательности, а также деталей исполнения каждого шага. Карты состоят из наборов связанных пар «шаг – условие выполнения шага». Переход представляет собой набор операций над переменными. Переход – набор логических условных выражений, определяющий передачу управления следующей паре «шаг – переход». Шаги и переходы обязательно чередуются. Функциональная карта разделена на две части: 1) порядковая часть (sequence part) – описывает последовательность главных управляющих шагов (левая сторона), но не содержит исполняемых действий; 2) управляющая часть (control part) – описывает исполняемые действия (блоки справа от шагов). Каждое действие должно быть связано с каким-либо шагом и может быть описано принципиальной схемой, логической цепью или булевым выражением. Язык SFC не имеет средств для описания шагов, поэтому они выражаются средствами других языков стандарта. Рисунок 3.9 Порядковая часть функциональной карты в соответствии со стандартом IEC 848 состоит из столбца пронумерованных блоков, изображающих одиночные шаги. Вертикальная линия, соединяющая каждый блок с последующим, изображает активные соединения (прямые связи). Каждый переход от шага к шагу связан с логическим условием, называемым условием перехода (transition condition). Булево выражение для условия перехода записано рядом с горизонтальной чертой. Если условие удовлетворено, т.е. соответствующее выражение истинно, происходит переход и система выполняет следующий шаг. Язык ST Текстовый язык высокого уровня, по синтаксису ориентированный на Pascal. Язык предоставляет булевы и арифметические операторы, а также конструкции структурного программирования: IF … THEN … ELSE CASE … WHILE … DO REPEAT … UNTIL и т.д. Пример: VAR X1, X2, X3, Y: END VAR IF X1=TRUE THEN X2:=FALSE: END IF: IF X3=TRUE THEN X2:=FALSE ELSE X2:=TRUE: END IF: Y:=(X1 AND NOT X2) OR X3 END FUNCTION BLOCK Язык IL Текстовый язык низкого уровня. Выглядит как язык Ассемблера, но к архитектуре конкретного процессора не привязан. Языки IEC 1131-3 содержат богатый набор стандартных функций: - булевские; - числовые (ADD, SUB, MOD, ABS, SQRT, LN, LOG, EXP, SIN, COS, TAN, ASIN, ACOS, ATAN и т.д.); - преобразования типов; - сравнения (INSERT, DELETE, REPLACE, FIND и другие); - а также функции, определяемые производителем и пользователем. Функциональные блоки: - синхронизации состояний; - дифференцирование переднего и заднего фронтов (R.TRIG, F.TRIG); - счетчики (TP, TON, TOF, RTC); - и др. функциональные блоки, в том числе определяемые пользователем. Типы данных: - битовые строки (BOOL, TYPE, WORD, DWORD, LWORD); - целые (INT, SINT, DINT, LINT); - беззнаковые целые (USINT, IDINT …); - вещественные (REAL, LREAL); - временные (TIME, DATE, TIME OF DAY, DATE OF TIME); - строки символов (STRING). Имеется возможность задавать также массивы, структуры и т.д. Одна и та же программа для PLC может быть написана на разных языках, а также на смеси языков. Например, одни функциональные блоки на FBD описываются с помощью LD, другие – на ST, FBD и т.д. Все языки поддерживаются соответствующим ПО, наиболее распространенным из которых является ISaGRAF фирмы CJ International. Этот программный продукт представлен в виде двух частей: набора средств разработки и исполняемого на целевом PLC ядра-интерпретатора. Набор средств разработки исполняется на компьютере проектировщика и состоит из редактора, отладчика и препроцессора (подготавливает описанный алгоритм управления к виду, понятному интерпретатору). Этот набор позволяет тестировать алгоритм в режиме эмуляции и получать листинг алгоритма на языке его описания. После создания и отладки пользовательская программа загружается в память PLC для исполнения. В PLC ядро-интерпретатор транслирует пользовательский алгоритм. Достоинство данной технологии разработки программ: машинно-зависимым является ядро, а не программа, что позволяет создавать программы для разных PLC, переходить с одного PLC на другой без переотладки. Недостаток: более медленное исполнение программы. 3.3 Работа с СУБД 3.3.1 Принципы работы баз данных База данных (БД) – информация, связанная между собой по определенному признаку, хранимая и организованная особым образом, как правило, в виде таблиц. Пример таблицы БД приведен на рисунке 3.10. Номер замера Скважина Дата Время Дебит 1001 … 958 … 02.07.2003 … 19:50:20 … 102 … Рисунок 3.10 Функции БД: - добавление новой информации; - добавление новых таблиц; - изменение информации в существующих таблицах; - поиск информации; - удаление информации; - удаление таблиц. Существует большое количество программ, которые предназначены для программной поддержки БД и образуют класс систем управления БД (СУБД). СУБД выполняет функции: - управление данными непосредственно в БД, находящейся на сервере; - управление данными, находящимися в памяти компьютера – функция, связанная с тем, что СУБД работают с БД большого размера; в целях ускорения работы СУБД используется буферизация данных в памяти каждого компьютера; - управление транзакциями – функция, которая производит ряд операций над БД как над единым целым. Транзакция – манипуляция над данными (добавление, изменение, удаление, запрос). Если транзакция успешно выполняется, то СУБД вносит соответствующие изменения в БД, в противном случае БД не изменяется; - управление изменениями и протоколирование – функция, связанная с надежностью хранения данных, т.е. возможностью СУБД восстанавливать состояние БД в аварийных ситуациях, например, при выключении питания, сбое носителя информации и т.д.; для восстановления используется журнал транзакций и архивная копия БД; - поддержка языков БД – для работы с БД используются специальные языки, наиболее распространенным из которых является SQL. Рисунок 3.11 Для работы с БД, как правило, используется архитектура «клиент - сервер» [41]. Основу СУБД составляет сервер БД – программа, осуществляющая комплекс действий по управлению данными. В качестве клиента БД может выступать другая программа, работающая на том же компьютере, что и сервер, либо на другом, связанном с компьютером-сервером посредством сети. Таким образом, данная архитектура включает, как минимум, три компонента: - сервер БД, который, собственно, и является СУБД; - клиенты БД – программы или компьютеры с соответствующими программами, выполняющие запросы к серверу; - сеть или коммуникационное программное обеспечение (рисунок 3.11). В принципе, и клиентская, и серверная части СУБД могут находиться на одном компьютере, но, в большинстве случаев, на предприятиях программа-сервер запускается на одном компьютере (сервере), а программа-клиент – на рабочих компьютерах. На практике наибольшее распространение получили т.н. реляционные БД, представляющие собой набор таблиц, связанных отношениями. При этом в каждой таблице имеется одно или несколько полей, называемых первичными ключами и однозначно определяющих конкретную запись в таблице. Зная значение первичного ключа, всегда можно определить конкретную запись в таблице и, следовательно, значения остальных полей записи. Например, первичными ключами могут служить номер технологического объекта (уникальный), табельный номер оператора, номер паспорта работника и т.д. Фамилия работника, тип установки и т.д. первичными ключами являться не могут, т.к., например, на предприятии могут работать несколько работников с одинаковыми фамилиями или функционировать несколько однотипных установок. Т.е. первичный ключ должен быть уникальным и, по возможности, целочисленным. Первичный ключ может состоять из нескольких полей (составной первичный ключ). Связи между таблицами осуществляются посредством первичных ключей. На рисунке 3.12 приведен пример БД, состоящей из трех таблиц («Технологические объекты», «Датчики» и «Измерения»). Обозначены поля: N_об – номер технологического объекта, N_дтч – номер датчика. Связи (отношения между таблицами) могут быть идентифицирующие и неидентифицирующие. Если запись в таблице-потомке однозначно определяется своей связью с таблицей-родителем, то отношение между этими таблицами является идентифицирующим. В этом случае первичный ключ таблицы-родителя становится первичным ключом (или частью первичного ключа) таблицы-потомка. Например, отношение «производят» на рисунке 14 является идентифицирующим для таблицы-родителя «Датчики» и таблицы-потомка «Измерения», поэтому первичный ключ таблицы-родителя (поле «N_дтч») становится частью составного ключа таблицы-потомка. Отношение «содержат» является неидентифицирующим, поэтому первичный ключ таблицы-родителя «Технологические объекты» (поле «N_об») становится обычным полем таблицы-потомка «Датчики». 3.3.2 Обеспечение безопасности баз данных При работе СУБД возникает необходимость защиты БД от возможных случайных или преднамеренных ситуаций, когда существует вероятность потери данных. Например, при доступе к БД одновременно нескольких пользователей возможна неправильная запись данных. Для ликвидации возможностей этого используется механизм транзакций. Транзакция – неделимая с точки зрения воздействия на БД последовательность операторов манипулирования данными такая, что возможны два итога [41]: - результаты транзакции отображаются в БД, - воздействие транзакции на БД полностью отсутствует. Технологические объекты N_об Тип Наим. Год постр. Уст-ка 102 103 104 печь печь колонна П-2/1 П-2/2 К-35 1993 1994 1993 депарафинизация депарафинизация крекинг Датчики N_дтч Тип Фирма Марка Год уст-ки N_об 10128 10129 10130 LE PT LE Метран Метран Метран Метран 22ДД Метран 22ДА Метран 22ДД 1994 1994 1994 102 102 103 Измерения N_дтч Дата Время Знач-е 10129 10129 10129 10128 01.05.03 01.05.03 02.05.03 02.05.03 19:00:00 19:10:00 12:00:00 12:00:00 3,4 3,4 3,5 20,8 Рисунок 3.12 В СУБД транзакция начинается с оператора BEGIN. Если она завершена оператором COMMIT, то результаты фиксируются в БД, если ROLLBACK – отсутствуют. Оператор COMMIT устанавливает т.н. точку фиксации, т.е. момент, когда заканчивается единица работы, следовательно, БД будет находиться в целостном состоянии как в начале, так и в конце транзакции. Восстановление БД – процесс, подразумевающий возвращение БД в правильное (целостное) состояние, если какой-либо процесс вызвал сбой данных. Восстановление базируется на принципе избыточности БД, при этом по части хранимых данных имеется возможность восстановления всей информации полностью. Восстановление информации может быть осуществлено по журналу транзакций, в который заносится информация о транзакциях, начавших свое выполнение и успешно завершившихся. Если после перезагрузки системы в журнале будут встречены транзакции, начавшиеся до сбоя, но не закончившиеся, то для них выполняется команда ROLLBACK. 3.3.3 Операторы языка SQL Запрос к БД внутри транзакции пишется на языке SQL, с помощью которого формируются предложения [41]: - определения данных – создание/уничтожение новых таблиц; - запросов на выборку данных; - модификации БД (добавление, удаление, изменение); - управления данными (управление транзакциями, привилегиями). Кроме того, SQL позволяет выполнять: - арифметические вычисления; - упорядочивание строк, столбцов при выводе на экран/принтер; - интерпретацию данных; - сохранение результатов запроса в других таблицах; - группирование данных, суммирование, подсчет и т.д. Достоинства языка SQL: - стандартность (поддерживается стандартами ANSI и ISO); - независимость от конкретных СУБД, т.е. БД можно переносить с одной СУБД на другую без доработок; - поддержка реляционных БД; - немедленный доступ к данным без написания программ; - обеспечение различного представления данных; - возможность динамического изменения и расширения структуры БД; - поддержка архитектуры «клиент-сервер». У каждого объекта БД (сервер, таблица, поле таблицы) есть свое уникальное имя (в SQL имя должно содержать до 18 символов английского алфавита большими буквами). Рассмотрим три таблицы: OBJECTS – таблица «Технологические объекты»; N_OBJ – номер объекта (поле «N_об»); TIP – тип объекта; NAIM - наименование объекта; GOD - год постройки; SENSORS – таблица «Датчики»; N_SENS - инвентарный номер датчика (поле «N_дтч»); TIP - тип датчика; FIRMA - фирма-производитель; MARKA - марка датчика; GOD_UST - год установки на объект; N_OBJ - номер объекта, на котором установлен датчик; IZMER – таблица «Измерения»; N_SENS - инвентарный номер датчика; DATE - дата измерения; TIME - время измерения; MEAN - значение измеренной величины. Например, если таблица OBJECTS находится на сервере SERV, то полное имя таблицы будет SERV.OBJECTS Для доступа к конкретному полю этой таблицы: SERV.OBJECTS.TIP Для заполнения таблицы используются следующие типы данных: DEC(точность) - десятичное число с дробной частью; NUMERIC - десятичное число с определенной точностью; INT или INTEGER – целое число; SMALLINT – целое число; FLOAT(точность) – экспоненциальная форма числа; REAL – вещественное число с заданной точностью; DOUBLE – эквивалент REAL с более высокой точностью; CHAR(макс. количество символов) – строковая переменная; TIME – время. Выборка данных из таблицы производится оператором SELECT. Например, команда SELECT N_SENS, TIP, N_OBJ FROM SENSORS; выедет таблицу с тремя колонками (номер датчика, тип и номер объекта) с данными из таблицы SENSORS. Признаком завершения команды является точка с запятой. SELECT * FROM SENSORS; выводит все данные из таблицы SENSORS. SELECT DISTINCT TIP, FIRMA, MARKA FROM SENSORS; выведет все марки датчиков без дублирования (операнд DISTINCT). Использование условий поиска: SELECT N_SENS, TIP, MARKA FROM SENSORS WHERE FIRMA=’Метран’; выводит список всех датчиков, произведенных фирмой «Метран». SELECT FIRMA, MARKA, TIP FROM SENSORS WHERE GOD_UST>2000; выводит список датчиков, установленных после 2000 года. В операторе WHERE должны быть использованы логические операции: >, <, =, >=, <=, AND, OR, NOT. Кроме того, могут использоваться специальные операнды IN, BETWEEN, LIKE, IS NULL. Операнд IN определяет набор значений, в который данное значение должно быть включено, например, SELECT MARKA, GOD_UST FROM SENSORS WHERE FIRMA IN (‘Метран’, ‘Siemens’, ‘Fisher’); выводит только датчики указанных фирм; SELECT MARKA, FIRMA FROM SENSORS WHERE GOD_UST BETWEEN 1985 AND 1989; выводит список датчиков, установленный в период с 1985 по 1989 год; SELECT N_SENS FROM SENSORS WHERE MARKA IS NULL; выводит список датчиков, у которых не указана марка. Для получения итоговых данных могут использоваться функции: SUM – сумма значений, COUNT – количество, AVG – среднее значение, MAX и MIN – максимальное и минимальное значения. Для группирования данных используется операнд GROUP BY: SELECT N_SENS, MAX(MEAN) FROM IZMER WHERE (DATE > 01/05/03 AND DATE < 31/05/03) GROUP BY N_SENS; выдаст таблицу из двух колонок: номер датчика и его максимальное значение, которое он дал за май 2003 года. Упорядочивание таблиц по возрастанию производится операндом ORDER BY <поле> ASC или убыванию ORDER BY <поле> DESC. Для объединения нескольких запросов в одну транзакцию используется оператор UNION: SELECT … UNION SELECT … ; Для многотабличных запросов используются полные имена полей: SELECT SENSORS.TIP,IZMER.DATE,IZMER.TIME,IZMER.MEAN FROM SENSORS, IZMER WHERE SENSORS.N_SENS=IZMER.N_SENS; выводит таблицу из четырех колонок: тип датчика, дата, время и значение изерения. Внутри операнда WHERE может находиться самостоятельная команда SELECT. В этом случае сначала выполняется вложенный запрос, затем из его результатов отбираются результаты для основного запроса. Добавление новых записей в таблицу производится оператором INSERT INTO <таблица> VALUES, например: INSERT INTO SENSORS VALUES (10260, ‘FE’, ‘Grundfos’, ‘Flow’, 2003, 102); INSERT INTO SENSORS(N_SENS, TIP, N_OBJ) VALUES (10278, ‘LE’, 102); добавляет в таблицу SENSORS запись о новом уровнемере с номером 10278, установленном на объекте 102, без указания марки и фирмы-изготовителя. Удаление записей: DELETE FROM IZMER WHERE DATE=01/05/2003; удалит все записи за 1 мая 2003 года. Изменение записей производится командой UPDATE: UPDATE SENSORS SET FIRMA=’Теплоприбор’, MARKA=’ТХА-0515’ WHERE TIP=’TE’; заменит все датчики температуры на термопары ТХА-0515 фиры «Теплоприбор». Создание новой таблицы CREATE TABLE SENSORS (N_SENS INTEGER, TIP CHAR(5), MARKA CHAR(20), GOD_UST INTEGER, N_OBJ INTEGER); создает пустую таблицу SENSORS с указанными полями. После каждого имени поля указан тип хранимых в нем данных. Изменение структуры таблицы: ALTER TABLE SENSORS ADD REMNT INTEGER; добавление поля REMNT в таблицу SENSORS. 3.4 Методология IDEF 3.4.1 Модели систем Методология IDEF используется преимущественно на верхних уровнях управления в качестве универсального средства для описания выполняемых какой-либо системой функций, структуры обрабатываемой и хранимой информации, а также для анализа динамических свойств данной системы управления [42, 43]. Согласно методологии, модель системы может быть представлена в виде совокупности трех моделей: - функциональной, - информационной, - динамической. При этом под системой подразумевается как система взаимодействий между приборами, механизмами, технологическими объектами и т.д., так и между людьми в процессе достижения ими определенной цели. Функциональная модель строится по т.н. методологии IDEF0, более известной как SADT (Structure Analysis and Design Technique). Она дает представления о том, какие функции выполняются (должны выполняться) в рассматриваемой системе, что является исходными данными для них, какой результат выполнения каждой функции, а также каковы причинно-следственные связи между ними. Информационная модель соответствует методологии IDEF1X, описывает структуру используемой в системе информации и по сути является моделью реляционной базы данных. Методология IDEF1X фактически является стандартом для проектирования СУБД. Динамическая модель формируется путем преобразования функциональной модели в вид раскрашенных сетей Петри. Используемая методология носит название IDEF/CPN (Colored Petri Nets). Сети Петри предназначены для моделирования динамики дискретных систем и обеспечены мощными средствами для определения их динамических свойств. Анализ систем на сетях Петри позволяет сделать определенные выводы по оптимизации структур моделируемых систем. 3.4.2 Методика построения функциональной модели Методология IDEF0 (более известная как методология SADT-Structure Analysis and Design Technique) предназначена для представления функций системы и анализа требований к системам и является одной из самых известных и широко используемых методологий проектирования АСУ [29]. В терминах IDEF0 система представляется в виде комбинации блоков и дуг. Блоки используются для представления функций системы и сопровождаются текстами на естественном языке. Дуги представляют множества объектов (как физических, так и информационных) или действия, которые образуют связи между функциональными блоками. Место соединения дуги с блоком определяет тип интерфейса. Поскольку блоки символизируют действия, то они, как правило, подписываются глаголами или их формами. Дуги же подписываются существительными. Рисунок 3.13 – Функциональный блок Управляющие выполнением функции данные входят в блок сверху, в то время как информация, которая подвергается воздействию функции, показана с левой стороны блока; результаты выхода показаны с правой стороны. Механизм (человек или автоматизированная система), который осуществляет функцию, представляется дугой, входящей в блок снизу (рисунок 3.13). В основе методологии IDEF0 лежат следующие правила: 1 Функциональный блок (или Функция) преобразует Входы в Выходы (т.е. входную информацию в выходную), управление определяет, когда и как это преобразование может или должно произойти, исполнители непосредственно осуществляют это преобразование. 2 С дугами связаны надписи (или метки) на естественном языке (как правило, в виде имен существительных), описывающие данные, которые они представляют. 3 Дуги показывают, как функции между собой взаимосвязаны, как они обмениваются данными и осуществляют управление друг другом. 4 Выходы одной функции могут быть Входами, Управлением или Исполнителями для другой. 5 Дуги могут разветвляться и соединяться. 6 Функциональный блок, который представляет систему в качестве единого модуля, детализируется на другой диаграмме с помощью нескольких блоков, соединенных между собой интерфейсными дугами. 7 Эти блоки представляют основные подфункции (подмодули) единого исходного модуля. 8 Данная декомпозиция выявляет полный набор подмодулей, каждый из которых представлен как блок, границы которого определены интерфейсными дугами. 9 Каждый из этих подмодулей может быть декомпозирован подобным же образом для более детального представления. 3.4.3 Методика построения информационной модели Важнейшая цель информационной модели заключается в выработке непротиворчивой интерпретации данных и взаимодействий между ними с тем, что необходимо для интеграции, совместного использования и управления целостностью данных. Появление понятий концептуальной схемы данных привело к методологии семантического моделирования данных, т.е. к определению значений данных в контексте их взаимосвязей с другими данными. Методология IDEF1X - один из подходов к семантическому моделированию данных, основанный на концепции "Сущность - Отношение" (Entity-Relationship ), это инструмент для анализа информационной структуры систем различной природы. Информационная модель, построенная с помощью IDEF1X-методологии, представляет логическую структуру информации об объектах системы. Эта информация является необходимым дополнением функциональной IDEF0-модели, детализирует объекты, которыми манипулируют функции системы. Концептуально IDEF1X-модель можно рассматривать как проект логической схемы базы данных для проектируемой системы. Основными объектами информационной модели являются сущности и отношения. Сущность представляет множество реальных или абстрактных предметов (людей, объектов, мест, событий, состояний, идей, пар предметов и т.д.), обладающих общими атрибутами или характеристиками. Отдельный элемент этого множества называется "экземпляром сущности". Сущность изображается в виде прямоугольного блока, внутри которого перечислены ее атрибуты. Сущность обладает одним или несколькими атрибутами. Правила атрибутов: 1 Каждый атрибут должен иметь уникальное имя, одному и тому же имени должно соответствовать одно и то же значение. Одно и то же значение не может соответствовать различным именам. 2 Сущность может обладать любым количеством атрибутов. Каждый атрибут принадлежит в точности одной сущности. 3 Сущность может обладать любым количеством наследуемых атрибутов, но наследуемый атрибут должен быть частью первичного ключа соответствующей сущности-родителя или общей сущности. 4 Для каждого экземпляра сущности должно существовать значение каждого его атрибута (правило необращения в нуль). 5 Ни один из экземпляров сущности не может обладать более чем одним значением для связанного с ней атрибута (правило неповторения). Первичный ключ – это атрибут или группа атрибутов, которые однозначно идентифицируют каждый экземпляр сущности. Зная значения первичного ключа, всегда можно определить конкретный экземпляр сущности. Каждая сущность может обладать любым количеством отношений с другими сущностями. Сущность является "независимой", если каждый экземпляр сущности может быть однозначно идентифицирован без определения его отношений с другими сущностями. Пример независимой сущности приведен на рисунке 3.14. Сущность OBJECTS имеет четыре атрибута: N_OBJ (номер объекта), TIP (тип объекта), NAIM (наименование), GOD (год постройки). Первичным ключом сущности является атрибут N_OBJ, который отделен от остальных атрибутов чертой. Рисунок 3.14 – Пример независимой сущности Сущность называется "зависимой", если однозначная идентификация экземпляра сущности зависит от его отношения к другой сущности. Пример зависимой сущности приведен на рисунке 3.15. Здесь сущность IZMER (измерение) зависит от сущности SENSORS (датчики), поскольку записи об измерениях содержат информацию о том, какой датчик произвел данное измерение. Сущность SENSORS – родительская сущность, IZMER – потомок. Зависимость отражена наличием в числе атрибутов сущности IZMER первичного ключа родительской сущности N_SENS. Рисунок 3.15 – Идентифицирующее отношение Сущность обладает одним или несколькими атрибутами, которые либо принадлежат сущности, либо наследуются через отношение. Если внешний ключ целиком используется в качестве первичного ключа сущности или его части, то сущность является зависимой от идентификатора. И наоборот, если используется только часть внешнего ключа или вообще не используются внешние ключи, то сущность является независимой от идентификатора. Отношение связи, называемое также "отношение родитель-потомок", - это связь между сущностями, при которой каждый экземпляр одной сущности, называемой родительской сущностью, при которой каждый экземпляр одной сущности, называемой родительской сущностью, ассоциирован с произвольным (в том числе нулевым) количеством экземпляров другой сущности, называемой сущностью-потомком, а каждый экземпляр сущности-потомка ассоциирован в точности с одним экземпляром сущности-родителя. Если экземпляр сущности-потомка однозначно определяется своей связью с сущностью-родителем, то отношение называется идентифицирующим отношением. В противном случае отношение называется неидентифицирующим. Пример неидентифицирующего отношения приведен на рисунке 3.16. Рисунок 3.16 – Неидентифицирующее отношение Отношение связи изображается линией, проводимой между сущностью-родителем и сущностью-потомком с точкой на конце линии у сущности-потомка. Идентифицирующее отношение изображается сплошной линией (см. рисунок 3.15), пунктирная линия изображает неидентифицирующее отношение (см. рисунок 3.16). Отношению дается имя, выражаемое грамматическим оборотом глагола. Имя отношения всегда формируется с точки зрения родителя, так что может быть образовано предложение, если соединить имя сущности-родителя, имя отношения, выражение мощности и имя сущности-потомка. Отношение дополнительно определяется с помощью указания мощности: какое количество экземпляров сущности-потомка может существовать для сущности-родителя. Так как некоторые реально существующие объекты являются категориями других реально существующих объектов, то некоторые сущности должны, в некотором смысле, быть категориями других сущностей. 3.5 Программные системы управления производством МRР - это общепринятая на Западе идеология, технология и организация управления промышлен­ными предприятиями [40]. Следует различать системы MRP и MRP II. MRP (Material Requirements Planning) – система автоматизированного планирования потребности в сырье и материалах для производства, реализующая идею единой модели данных в масштабе всего производства. Основная цель: минимизация издержек, связанных со складскими запасами. MRP II-системы (Manufacturing Resource Planning) способны планировать все производственные ресурсы предприятия: сырье, оборудование с его реальной производительностью, трудозатраты и т.д. ERP представляет собой корпоративную надстройку над MRP II. Различие между MRP II и ERP-системами в том, что первые ориентированы на производство, в то время как вторые – на бизнес. Например, условия кредитования заказчика по отгрузке готовой продукции попадают в поле зрения ERP, но не MRP II. С одной стороны, MRP II - основа ERP, с другой - почти все западные системы (и все присутствующие в России) реализуют как методы МRР II, так и методы ЕRР. Стандарты MRР II во главу угла ставят управление производством, прежде всего, серийного типа. Если в комплексной системе отсутствует внятная идеология управления производством, то эта система по опре­делению не может быть MRP II системой. Такие сис­темы логичнее назвать полукомплексными или недокомплесными (полуКИСами или недоКИСами), В системе класса MRP II должны четко выделять­ся три базовых блока: • Формирование основного плана на основе зака­зов клиентов и прогноза спроса. Этот организацион­но-алгоритмический процесс включает процедуру быстрой проверки выполнимости плана по ресурсам, так называемое «приблизительное планирование мощности – Rough Cut Capacity Planning. • Планирование потребностей, то есть формиро­вание плана-графика изготовления партий изделий собственного производства и плана-графика закупки материалов и комплектующих. При этом работают вполне определенные алгоритмы расчета размеров заказов и дат запуска заказов на основе сетевых мо­делей. На этом этапе выполняется также расчет заг­рузки ресурсов или балансировка плана-графика по ресурсам - процедура «планирование мощности –Capacity Planning. • Оперативное управление. Процедуры проверки укомплектованности и запуска заказов, управление ходом производства через механизмы производ­ственных циклов, приоритетов, размеров заказов. Учет выполнения операций и заказов. Складской учет. Системы класса МRР II должны планировать де­ятельность служб сбыта, снабжения и производства как сквозной график взаимосвязанных заказов. Системы класса MRP II должны включать сред­ства бюджетирования и развитую систему управлен­ческого учета, они должны содержать систему бух­галтерского учета или иметь интерфейс с такой системой, работающей как в российских, так и в за­падных (GААР, IAS) стандартах бухгалтерского учета и отчетности. Системы класса МRР II должны включать сред­ства, позволяющие смоделировать весь ход произ­водства при данном варианте основного плана, чтобы увидеть возможные будущие проблемы и узкие места. Наконец, системы класса MRP II должны поддер­живать методы Just-In-Time. Если КИС отвечает этим базовым признакам, то это, скорее всего, нормальная система класса МRР II и ее можно рассматривать бо­лее детально. В ERP делается упор на управление корпоративной структурой, то есть компа­нией, которая имеет производственные и сбытовые подразделения по всему миру, использует между­народную сеть поставщиков комплектующих и ус­луг, реализует продукцию в международном масш­табе и использует различные критерии, в том числе с учетом национальных особенностей, для оценки своей деятельности. ЕRР может также управ­лять поставщиками и дилерами и позволять потре­бителям вводить заказы напрямую в систему. Назначение систем ERP – автоматизация внутренней деятельности предприятия (т.н. back-office). Существуют также специализированные системы управления внешней деятельностью, к числу которых относятся CRM, SCM и CSRP-системы. CRM (Customer Relations Management) – управление отношениями с заказчиками. SCM (Supply Chain Management) – управление отношениями с поставщиками. CSRP (Customer Synchronized Resource Planning) – планирование ресурсов, синхронизированное с потребителем. Сущность этой системы, предложенной фирмой SYMIX, состоит в том, что при планировании и управлении организацией можно и нужно учитывать не только основные производственные и материальные ресурсы предприятия, но и все ресурсы, которые обычно рассматриваются как «вспомогательные» или «накладные». К их числу относятся ресурсы, охватывающие проектирование будущего изделия с учетом требований заказчика, гарантийное и сервисное обслуживание и т.д., т.е. те ресурсы, которые могут определять конкурентоспособность предприятия в отраслях, где требуется оперативно реагировать на изменение желаний потребителя. Сегодня на мировом рынке предлагается свы­ше 500 систем класса МRР II - ERP. Рынок бурно растет - на 35 - 40% каждый год. В настоящее время в России присутствуют около десятка за­падных систем и три-четыре отечественные систе­мы класса КИС. Ниша отечественных систем - это пока, в лучшем случае, предприятия типов 5 и 6 в нашей классификации. Западные системы пред­лагаются для всех типов предприятий. К настоя­щему времени в России сделано около 200 ин­сталляций западных систем. Работают (в смысле комплексного внедрения) из них единицы. При выборе системы управления прежде всего необходимо обращать внимание на следующие аспекты. • Репутация фирмы, репутация системы, стаж пребывания фирмы на рынке, число продаж. • Сколько работающих систем в России. • Терминология и качество русификации запад­ной системы. Документация и НЕLР должны быть полными, ясными и понятными. • Качество локализации западной системы. Си­стема должна отрабатывать такие российские реа­лии, как бартер, цепочки зачетов, предоплата, оп­лата в неденежной форме, неотфактурованные поставки и так далее. • Какая российская команда стоит за западной системой? Кто ее русифицировал, кто внедряет? Что это за люди? Знают ли они производство? Ка­кое у них образование? • Разумная цена. Покупая систему, на весь цикл (покупка, внедрение, сопровож­дение, развитие) придется затратить в 3 -10 раз больше денег, чем стоимость программных средств. Чем сложнее и дороже система, тем больше коэффициент. • Функциональная полнота. Система должна покрывать основные потребности в управле­нии. Практически все западные системы сильно избыточны в этом отношении, но на уровне базо­вых возможностей. • Модульность. • Гибкость. Один из самых важных факторов и обычно самое уязвимое место российских систем. Система управления должна меняться вместе с произ­водством. Поэтому сис­тема должна позволять легко менять АРМы и меню, формировать отчеты и справки, делать про­извольные выборки информации в удобном пред­ставлении, менять бизнес - процессы и алгоритмы путем параметрической настройки и так далее. Список литературы 1 Кулаков М.В. Технические измерения и приборы для химических производств. -М.: Машиностроение, 1983. - 424 с. 2 Никитенко Е.А. Автоматизация и телеконтроль электрохимической защиты магистральных газопроводов. М.: Недра, 1976. 3 Полоцкий Л.М., Лапшенков Г.И. Автоматизация химических производств. Учеб. пособие -М.: Химия, 1982. - 296 с. 4 Теория автоматического управления / Под ред. А.В. Нетушила -М.: Высш. шк., 1968. -Ч.1. 5 Бесекерский В.А., Попов Е.П. Теория автоматического регулирования. -М.: Наука, 1966. 6 Дадаян Л.Г. Автоматизация технологических процессов: Методические указания к курсовому и дипломному проектированию. -Уфа: Изд-во УНИ, 1985. - 225 с. 7 Камразе А.Н., Фитерман М.Я. Контрольно-измерительные приборы и автоматика. Л.: Химия, 1988. - 225 с. 8 Стефани Е.П. Основы построения АСУТП: Учеб. пособие -М.: Энергоиздат, 1982. -352 с. 9 Автоматические приборы, регуляторы и управляющие машины: Справочник /Под ред. Б.Д. Кошарского -Изд. 3-е. -Л.: Машиностроение, 1976. -486 с. 10 Голубятников В.А., Шувалов В.В. Автоматизация производственных процессов в химической промышленности: Учебник. -М.: Химия, 1985. -352 с. 11 Теория автоматического управления: Учебник: В 2-х частях / Под ред. А.А.Воронова. -М.: Высш.шк., 1986. -Ч.1. - 367 с.; Ч.2. -504 с. 12 Аязян Г.К. Расчет автоматических систем с типовыми алгоритмами регулирования: Учеб. пособие -Уфа: Изд-во УНИ, 1986. -135 с. 13 Веревкин А.П., Попков В.Ф. Технические средства автоматизации. Исполнительные устройства: Учеб. пособие -Уфа: Изд-во УНИ, 1996. -95 с. 14 ГОСТ 21.404-85. Обозначения условные приборов и средств автоматизации. 15 ГОСТ 21.408-93. Правила выполнения рабочей документации автоматизации технологических процессов. 16 Кузнецов А. SCADA-системы: программистом можешь ты не быть// СТА. -1996. -№ 1. –С. 32 – 35. 17 Кабаев С. SCADA-пакет InTouch в отечественных проектах// Мир компьютерной автоматизации. -1997. -№ 2. – С. 88 – 90. 18. Христенсен Д. Знакомство со стандартом на языки программирования PLC IEC 1131-3.// Мир компьютерной автоматизации. -1997. -№ 2. – С. 24 – 25. 19 Захаров В.Н., Поспелов Д.А., Хазацкий В.Е. Системы управления. Задание. Проектирование. Реализация. -Изд. 2‑е, перераб. и доп. -М.: Энергия, 1977. -424 с. 20 Олссон Г., Пиани Д. Цифровые системы автоматизации и управления. –СПб.: Невский диалект, 2001. -557 с. 21 Справочник проектировщика АСУ ТП/ Г.Л. Смилянский, Л.З. Амлинский, В.Я. Баранов и др.; Под ред. Г.Л. Смилянского. -М.: Машиностроение, 1983. -527 с. 22 Справочное пособие по теории систем автоматического регулирования и управления / Под общ. ред. Е.А. Санковского. Минск: «Вышэйшая школа», 1973. -584 с. 23 Современные системы управления/ Р. Дорф, Р. Бишоп. Пер. с англ. Б.И.Копылова. –М.: Лаборатория Базовых Знаний, 2002. -832 с. 24 Методы классической и современной теории автоматического управления: Учебник: В 3-х т./ Под ред. Н.Д. Егупова. –М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2000. -748 с. 25 Справочник по средствам автоматики/ Под ред. В.Э. Низэ и И.В. Антика. –М.: Энергоатомиздат, 1983. -504 с. 26 Теория автоматического управления. Учебник для вузов/ С.Е. Душин, Н.С. Зотов, Д.Х. Имаев и др.; Под ред. В.Б. Яковлева. –М.: Высшая школа, 2003. -567 с. 27 Любашин А.Н. Промышленные сети// Мир компьютерной автоматизации. - 1999. - № 1. –С. 38 – 44. (http://www.mka.ru/?p=41313.) 28 Жданов А.А. Современный взгляд на ОС реального времени // Мир компьютерной автоматизации. – 1999. - № 1. -С. 54 - 60. 29 Золотарев С.В. Системы SCADA в среде ОС QNX // Мир ПК. – 1996. - № 4. -С. 114. 30 Кунцевич Н.А. SCADA-системы и муки выбора // Мир компьютерной автоматизации. – 1999. - № 1. - С. 72 - 78. 31 Соболев В.С. Программное обеспечение современных систем сбора и обработки измерительной информации.// Приборы и системы управления. - 1998. - № 1. -С. 55. 32 Системы диспетчерского управления и сбора данных (SCADA-системы)// Мир компьютерной автоматизации. – 1999. - № 3. -С. 4-9. 33 SCADA-продукты на российском рынке// Мир компьютерной автоматизации. - 1999. - № 3. -С. 25-33. 34 ISaGRAF. Версия 2.10. Часть 1. Руководство пользователя. -CJ International// Перевод Е.А. Поповой.-М.: АО «RTSoft», 1995. 35 ISaGRAF. Версия 2.10. Часть 2. Руководство по языкам программирования. -CJ International// Перевод Е.А. Поповой.-М.: АО «RTSoft», 1995. 36 Инструментальная система программирования логических контроллеров ISaGRAF: Учеб. пособие. Издание второе, перераб. и дополн/ М.А. Шамашов. -Самара: Самарский муниципальный комплекс непрерывного образования «Университет Наяновой», 1997. - 118 с. 37 Шакиров С. ULTRALOGIC-система подготовки программ для промышленных контроллеров// СТА. -1997. -№ 3.-С. 96-102. 38 Любашин А.Н. Что такое ISaGRAF? // МКА. -1995. -№ 2. -С. 31-36. 39 Шмелев Г.С., Ашкалиев Э.Я., Ляпин А.В. Опыт реализации стандарта МЭК 1131-3 (ISaGRAF) в среде операционной системы реального времени// Приборы и системы управления. -1997. - № 4.-С. 8 - 10. 40 Мазур Л.Е. Система управления предприятием// ComputerWorld – Казань. – 1999. - № 5. – С. 30 – 34. 41 Глушаков С.В., Ломотько Д.В. Базы данных: Учебный курс. –Харьков: Фолио, 2000. -504 с. 42 Построение системного проекта АСУ (комплекса моделей) с использованием IDEF-технологии: Методические указания к лабораторным работам по курсу «Кибернетические основы информационных систем» для студентов направления 552300 «Информационные системы в экономике»/ Уфим. гос. авиац. техн. ун-т; Сост. Г.Г. Куликов, А.Н. Набатов. -Уфа, 1995. -35 с. 43 Design/IDEF. Version 3.0. User’s manual. Meta Software Corp. -1994. -600 p. 44 Золотарев С.В., Кабанов П.Н. QNX-контроллеры и средства их поддержки//Мир ПК. -1998. - № 9. 45 Цельтвангер Х. Взгляд изнутри на основы CAN// http://www.mka.ru/?p=40568. 46. Синк П. Восемь открытых промышленных сетей и Industrial Ethetrnet// http://www.mka.ru/?p=42499. 47. Рыбаков А.Н., Зеленова Т.И. Локальная шина РСI: обзор// http://www.mka.ru/?p=40432. 48. Эйзенбарт В. Промышленные шины для систем автоматизации// http://www.mka.ru/?p=40169. 49. Тиммерман М. Руководство по выбору подходящей шины// http://www.mka.ru/?p=40233. 50. Иванов П. Средства коммуникации промышленного применения нижнего уровня иерархии// http://www.mka.ru/?p=40517. 51. Рыбаков А.Н. Шина PCI в специальных приложениях: мифы и реальность. Полемические заметки// http://www.mka.ru/?p=41226. 52. K. Crater. When Technology Standards Become Counterproductive, Control Technology Corporation, 1996// http://www.control.com/tutorials/language/ counter.htm. 53. "Perspectives on the Future of Automation Control. The Direction of Automation Systems", Rockwell International Corporation, 1997// http://www.ab.com/ events/choices/direct1.html. Приложение А Характеристики основных промышленных шин 1 Шина ASI Основная задача этой сети - связать в единую информационную структуру устройства самого нижнего уровня автоматизируемого процесса (датчики и разнообразные исполнительные механизмы) с системой контроллеров. Это следует из названия: Actuator Sensor Interface (ASI). ASI-интерфейс позволяет через свои коммуникационные линии передавать не только данные, но и запитывать датчики. Здесь используется принцип последовательной передачи на базовой частоте. Информационный сигнал модулируется на питающую частоту. В качестве физической среды используется специальный неэкранированный двухпроводный кабель с трапециевидным профилем. Этот кабель позволяет подключать датчики, устанавливаемые на подвижных частях механизмов. Топологией ASI-сети может быть шина, звезда, кольцо или дерево с циклом опроса 31 узла за 5 мс. Максимальный объем данных с одного ASI-узла - 4 бит. Происхождение: консорциум AS-I Consortium, 1993 год. Максимальное число узлов: 31 подчиненный, 1 главный. Коннекторы: монтируемые с прорезанием изоляции разъемы для плоского желтого кабеля, двухпозиционные клеммные колодки и 12-миллиметровые быстроразборные ("микро-") разъемы. Длина соединения: 100 метров; с ретрансляторами до 300 метров. Скорость передачи: 167 Кбит/с. Размер сообщений: 8 бит (4 входящих, 4 исходящих) на сообщение для одного узла. Метод обмена сообщениями: Strobing (стробирование). Поддерживающая организация: AS-I Trade Organization. Типичные области применения: в основном в сборочных, сварочных и транспортировочных агрегатах. Используется для однокабельного соединения многовходовых блоков датчиков, интеллектуальных датчиков, пневматических вентилей, коммутаторов и индикаторов. Достоинства: чрезвычайная простота, дешевизна, распространенность, высокое быстродействие, подача питающего напряжения по сетевому кабелю. Превосходное средство для объединения устройств цифрового ввода/вывода. Недостатки: плохо подходит для объединения устройств аналогового ввода/вывода; ограниченные размеры сети; слабая распространенность в Северной Америке (в настоящее время). Примечание - недавно вышедшая новая спецификация AS-I допускает подключение 62 (вместо 31) подчиненных устройств с 4 входами и 3 выходами каждое. В настоящий момент данную спецификацию поддерживает малое число производителей, однако удовлетворяющие ей новые устройства могут использоваться наравне со старыми. Для питания слаботочных устройств ввода в сигнальном кабеле имеется постоянное напряжение 30 В. Питание для устройств вывода может подаваться по дополнительному плоскому (черному) кабелю; большинство устройств вывода имеет клеммы, предназначенные для подключения этого кабеля. 2 Шина ControlNet Происхождение: Allen-Bradley, 1995 год. Строится на базе кабелей RG6/U (используются в системах кабельного телевидения) и специализированных ASIC-микросхем компании Rockwell. Максимальное число узлов: 99. Коннекторы: сдвоенные продублированные BNC-разъемы. Длина соединения: от 250 до 5000 метров (с ретрансляторами). Скорость передачи: 5 Мбит/с. Размер сообщения: от 0 до 510 байт. Методы обмена сообщениями: на базе модели "производитель/потребитель" (Producer/Consumer); обмен с поддержкой нескольких главных устройств, обмен между одноранговыми устройствами, фрагментированные сообщения, сообщения с приоритетом и расписанием повторных передач; сдвоенные каналы передачи (встроенное резервирование). Достоинства: детерминированное, стабильное, рациональное использование пропускной способности; более дешёвое, чем в большинстве других сетей, включая Ethernet, резервирование. Данные могут передаваться по любому транспортному межсетевому протоколу через Ethernet, Firewire и USB. Недостатки: ограниченная поддержка производителями, дороговизна специализированных микросхем компании Rockwell. 3 Шина Interbus Происхождение: Phoenix Contact, 1984 год. Топология на основе быстродействующих сдвиговых регистров. Максимальное число узлов: 256. Коннекторы: 9-штырьковые D-Shell- и 23-миллиметровые цилиндрические DIN-разъемы; соединения: витая пара, оптоволоконный канал, контактное кольцо, инфракрасная связь, SMG. Длина соединения: 400 метров на сегмент, в сумме до 12,8 км. Скорость передачи: 500 Кбит/с (также возможна скорость 2 Мбит/с). Размер сообщения: 512 байт данных на узел, число передаваемых блоков не ограничено. Типы обмена сообщениями: сканирование устройств ввода/вывода, РСР-канал для передачи данных. Типовые области применения: в основном в сборочных, сварочных и транспортировочных агрегатах. Используется для однокабельного соединения многовходовых блоков датчиков, пневматических вентилей, считывателей штрих-кодов, приводов и операторских пультов. Может применяться вместе с подсетями SensorLoop и AS-I. Достоинства: существенно упрощающая конфигурирование система автоадресации, расширенные диагностические возможности, широкая распространенность (особенно в Европе), низкие издержки, малое время отклика, рациональное использование пропускной способности, подача напряжения питания (для устройств ввода) по сетевому кабелю. Недостатки: сбой любого соединения приводит к отказу всей сети; ограниченные возможности по передаче данных большого объема. Информация об адресе в протоколе отсутствует; данные в сети пересылаются по кругу, и главное устройство всегда способно определить, из какого узла считывается или в какой узел передается информация по, так сказать, положению этого узла в кольце. Издержки протокола, таким образом, минимальны; в типовых системах с несколькими десятками узлов и (возможно) десятком устройств ввода/вывода на узел немногие шины способны показывать лучшие результаты, чем Interbus. Кольцевая топология дает главному устройству возможность самому себя конфигурировать, причем в некоторых случаях данный процесс не требует вмешательства со стороны пользователя. Таким образом, Interbus вполне может играть роль сети, "защищенной от дурака". Кроме того, точность сведений о сетевых отказах и месте их возникновения значительно упрощает процесс их (отказов) поиска и устранения. 4 Шина CAN CAN (Controller Area Network) - последовательная шина, разработанная компаниями Bosch и Intel для автомобильной промышленности. В настоящее время она используется и в распределенных системах управления (а также и в других областях автоматизации и контроля) для объединения интеллектуальных датчиков, интеллектуальных приводов и высокоуровневых систем. CAN - это шина с несколькими мастер-узлами на основе пары медных проводников. Скорость передачи данных по этой шине зависит от длины линии связи. На расстояния до 40 метров данные могут передаваться со скоростью 1 Мбит/с, при передаче на 1000 метров скорость падает до 50 Кбит/с. Максимальное число узлов: 64. Коннекторы: популярные быстроразборные 18-миллиметровые ("мини") и 12-миллиметровые ("микро") разъемы с гнездами и штекерами в герметичном исполнении и универсальные 5-штырьковые клеммные блоки. Длина соединения: от 100 до 500 метров. Скорость передачи данных: 125, 250 и 500 Кбит/с. Максимальный размер сообщения: 8 байт на сообщение для одного узла. Типы сообщений: Polling (опрос), Strobing (стробирование), Change-of-State (изменение состояния), Cyclic (циклическое); Explicit (для передачи конфигурационных сведений и значений параметров) и UCMM (для обмена между одноранговыми устройствами). Модель обмена производитель/потребитель (Producer/Consumer). Достоинства: дешевизна, широкое распространение, высокая надежность, эффективное использование пропускной способности, в большей степени пригодна для быстродействующих систем управления перемещением и контуров регулирования с обратной связью, подача питающего напряжения по сетевому кабелю.. Недостатки: ограниченная пропускная способность, ограниченный размер сообщений, ограниченная длина соединения, чрезмерная сложность и запутанность протокола с точки зрения разработчиков. Основное отличие CANopen от других промышленных шин, ориентированных на соединения типа "главный-подчиненный", заключается в способности каждого узла самостоятельно обращаться к шине и напрямую обмениваться данными с любым другим узлом, минуя главное устройство. Поскольку в основе CANopen лежит протокол CAN, процесс передачи данных в коммуникационном профиле определен как управляемый событиями, что позволяет максимально сократить объем трафика. Для нужд систем управления перемещениями в CANopen имеются операции синхронизации (циклическая и ациклическая). 5 Протокол HART Схема взаимоотношений между узлами сети основана на принципе MASTER/SLAVE. В HART-сети может присутствовать до 2 MASTER-узлов (обычно один). Второй MASTER, как правило, освобожден от поддержания циклов передачи и используется для организации связи с какой-либо системой контроля/отображения данных. Стандартная топология - "звезда", но возможна и шинная организация. Для передачи данных по сети используются два режима: 1) асинхронный: по схеме "MASTER-запрос\SLAVE-ответ" (один цикл укладывается в 500 мс); 2) синхронный: пассивные узлы непрерывно передают свои данные MASTER-узлу (время обновления данных в MASTER-узле за 250-300 мс). За одну посылку один узел может передать другому до 4 технологических переменных, а каждое HART-устройство может иметь до 256 переменных, описывающих его состояние. Контроль корректности передаваемых данных основан на получении подтверждения. 6 Шина Foundation Fieldbus Foundation Fieldbus - это название промышленной шины, поддерживаемой организацией Fieldbus Foundation. Как и CiA, Fieldbus Foundation тоже является ассоциацией, появившейся в результате слияния североамериканских компаний ISP-Foundation и WorldFIP. В Foundation Fieldbus используются 1 базовый физический уровень (H1 FF), обеспечивающий скорость передачи в 31,25 Кбит/с, - на основе модифицированной версии физического уровня IEC 1158-2; 2 скоростной физический уровень (H2 FF) с максимальной скоростью передачи в 1 Мбит/с - на основе IEC 1158-2; 3 уровень сетевого протокола, в котором используются элементы проекта стандарта унифицированной промышленной шины IEC/ISA SP 50; 4 прикладной уровень, включающий элементы концепции ISP/PROFIbus (версии 3.0). Шина Foundation Fieldbus ориентирована на непрерывное управление во "влажных" производствах, в потенциально взрывоопасных средах и поэтому должна проектироваться на базе низковольтной малоточной логики. Шина Foundation Fieldbus сходна с шиной PROFIbus-PA, которая также имеет встроенные средства защиты. Кроме того, в ней имеются средства поддержки высокоуровневого супервизорного контроля, аналогичные средствам шины PROFIbus-FMS. 7 Протокол LON (LONTalk) Протокол LON (точнее LONTalk) был разработан американской компанией Echelon Corporation для построения интеллектуальных систем жизнеобеспечения зданий. LON-сеть может состоять из сегментов с различными физическими средами передачи: витая пара, радиочастотный канал, инфракрасный луч, линии напряжения, коаксиальный и оптический кабели. Для каждого типа физического канала существуют трансиверы, обеспечивающие работу сети на различных по длине каналах, скоростях передачи и сетевых топологиях. При разрешении коллизий используется предсказывающий алгоритм их предупреждения, то есть доступ к каналу упорядочивается на основе знания о предполагаемой нагрузке этого канала. Узел, желающий передавать, всегда получает доступ к каналу со случайной задержкой из некоторого диапазона. Для предотвращения снижения пропускной способности сети величина задержки представлена как функция числа незавершенных заданий (backlog), стоящих в очереди на выполнение. Способность алгоритма, реализованного на MAC-уровне, "предсказывать" основана на оценке числа незавершенных заданий. Каждый узел имеет и поддерживает текущее значение backlog: инкрементирование и декрементирование происходит по результатам отправления и приема пакетов. Максимальная размерность LON-сети - 32000 узлов, соединенных различными физическими средами в произвольной сетевой конфигурации. 8 Шина DeviceNet Происхождение: Allen-Bradley, 1994 год. Основа: технология CAN (Controller Area Nerwork), заимствованная из автомобильной промышленности. Максимальное число узлов: 64. Коннекторы: популярные быстроразборные 18-миллиметровые ("мини") и 12-миллиметровые ("микро") разъемы с гнездами и штекерами в герметичном исполнении и универсальные 5-штырьковые клеммные блоки. Длина соединения: от 100 до 500 метров. Скорость передачи данных: 125, 250 и 500 Кбит/с. Максимальный размер сообщения: 8 байт на сообщение для одного узла. Типы сообщений: Polling (опрос), Strobing (стробирование), Change-of-State (изменение состояния), Cyclic (циклическое); Explicit (для передачи конфигурационных сведений и значений параметров) и UCMM (для обмена между одноранговыми устройствами). Модель обмена производитель/потребитель (Producer/Consumer). Поддерживающая организация: Open DeviceNet Vendor Association. Типичные области применения: в основном сборочные, сварочные и транспортировочные агрегаты. Используется для однокабельного соединения многовходовых блоков датчиков, интеллектуальных датчиков, пневматических вентилей, считывателей штрих-кодов, приводов и операторских пультов. Особенно широкое распространение данная шина получила в автомобильной и полупроводниковой отраслях промышленности. Достоинства: дешевизна, широкое распространение, высокая надежность, эффективное использование пропускной способности, подача питающего напряжения по сетевому кабелю. Недостатки: ограниченная пропускная способность, ограниченный размер сообщений, ограниченная длина соединения. Поскольку питающее напряжение для устройств автоматики подается по сетевому кабелю, общее число используемых кабелей и сложность разводки минимальны. Протокол DeviceNet поддерживается сотнями разнотипных устройств (от интеллектуальных датчиков до вентилей и операторских пультов) и сотнями различных производителей. Одним из самых больших достоинств DeviceNet является поддержка нескольких типов обмена сообщениями. В любой момент времени для обеспечения наиболее оперативной и информативной передачи сообщений в сети одновременно могут использоваться несколько различных методов. Типы передаваемых сообщений: • Опрос (Polling): опрашивающее устройство поочередно запрашивает данные из каждого конкретного устройства сети либо посылает данные в это конкретное устройство. • (Широковещательное) стробирование (Strobing): опрашивающее устройство посылает подчиненным устройствам общий запрос, после чего подчиненные устройства по очереди отсылают главному данные о своем состоянии (первым отвечает узел с номером 1, вторым с номером 2 и т.д.). Меняя порядок нумерации узлов, можно задавать приоритетность сообщений. Опрос и широковещательное стробирование наиболее распространенные способы сбора данных. • Периодическая отсылка (Cyclic): сетевые устройства автоматически с установленной периодичностью передают центральному узлу сведения о своем состоянии. • Изменение состояния (Change of State): отсылка сообщения происходит только по факту изменения состояния устройства. Данный метод отличается наименьшими временными затратами; при этом в крупных сетях его производительность может оказаться выше, чем в сетях с использованием метода опроса и с гораздо более высокой скоростью передачи. • Явное сообщение (Explicit Messaging): передача сообщения с одновременным указанием способа его интерпретации устройством. • Фрагментированное сообщение (Fragmented Messaging): если размер передаваемого сообщения превышает восемь байт, оно может быть разделено на несколько восьмибайтовых фрагментов с последующим восстановлением сообщения в принимающем устройстве. • UCCM (UnConnected Massage Manager Менеджер однорангового обмена): UCMM-интерфейсы DeviceNet могут непосредственно взаимодействовать друг с другом на одноранговой (peer-to-peer) основе. В отличие от связи типа "главный-подчиненный" любое UCMM-устройство обменивается данными с другим UCMM-устройством напрямую, без предварительной отсылки информации в главное устройство. 9 Протокол WorldFIP Протокол WorldFIP (World Factory Instrumentation Protocol) разработан на основе французского стандарта, известного как NFC46-600 или FIP. Его разработал консорциум компаний, производящих полевые устройства, в которых используется система сообщений. Протокол WorldFIP удовлетворяет требованиям реального времени. Протокол построен на гибридном (централизованный/децентрализованный) доступе к шине и для передачи данных использует режим широкого вещания (broadcast). Контроль обеспечивается со стороны центрального узла сети (central unit), называемого Арбитром. Основной поток данных организован как набор отдельных переменных, каждая из которых идентифицирована своим именем. Любая переменная, обработанная в одном узле-передатчике, может быть прочитана всеми узлами-приемниками одновременно. Использование режима широкого вещания избавляет от процесса присваивания каждому устройству уникального сетевого адреса. 10 Сеть Profibus • Происхождение: правительственные органы Германии в сотрудничестве с производителями средств автоматизации, 1989 год. • Интерфейсы реализованы в виде специализированных микросхем (ASIC), которые выпускаются множеством поставщиков. Основывается на спецификации интерфейса RS485 и европейской электрической спецификации EN50170. • Разновидности: Profibus DP (главный/подчиненный), Profibus FMS (несколько главных устройств/одноранговые устройства), Profibus PA (внутренне безопасная шина). • Коннекторы: 9-штырьковый разъем типа D-Shell (с оконечной нагрузкой импеданса) или 12-миллиметровый быстроразборный разъём IP67. • Максимальное число узлов: 127. • Длина соединения: от 100 м до 24 км (с ретрансляторами и оптоволоконными кабелями). • Скорость передачи: от 9600 бит/с до 12 Мбит/с. • Размер сообщения: до 244 байт на сообщение для одного узла. • Методы обмена сообщениями: опрос (DP/PA) и одноранговый (FMS). • Поддерживающая организация: Profibus Trade Organization консорциум производителей и пользователей продуктов в стандарте Profibus. Данная шина позволяет осуществлять однокабельное соединение многовходовых блоков датчиков, пневматических вентилей, сложных интеллектуальных устройств, небольших подсетей (типа AS-I) и операторских пультов. Достоинства: Profibus самый распространенный в мире сетевой стандарт. Эта шина, применяемая в Европе почти повсеместно, весьма популярна в Северной и Южной Америке, а также в некоторых странах Африки и Азии. Версии DP, FMS и PA в целом удовлетворяют требованиям подавляющего большинства систем автоматизации. Недостатки: относительно высокие накладные расходы при передаче коротких сообщений, отсутствие подачи питания по шине, несколько более высокая по сравнению с другими шинами стоимость. Хорошая скорость передачи, большая длина соединения и широкие возможности по обработке данных превращают Profibus в одну из лучших шин, предназначенных для систем управления многими технологическими процессами и интенсивной обработки информации. PROFIbus-FMS - это универсальный коммуникационный протокол. В основном он используется различными супервизорными задачами на высшем уровне иерархии PROFIbus-системы. FMS стартовал в момент, когда пользователи производственных систем управления стали переключаться на протокол МАР (Manufacturing Automation Protocol). В результате многие элементы обмена сообщениями в FMS похожи на элементы МАР. Однако высокие накладные расходы этого протокола делают его неприемлемым для обслуживания низкоуровневых датчиков. PROFIbus-DP - это оптимизированный по производительности протокол, разработанный специально для поддержания критичного ко времени доставки обмена информацией между распределенными интеллектуальными узлами ввода/вывода на нижних иерархических уровнях системы PROFIbus. Этот протокол нижнего уровня в части оптимизации для межсоединения низовых интеллектуальных устройств аналогичен протоколу CAL. Он может использоваться в распределенных системах как с одним, так и с несколькими мастер-узлами, допуская подключение к шине до 128 устройств. Протокол Profibus DP допускает наличие в системе нескольких главных устройств; каждое подчиненное устройство при этом выделяется лишь одному главному. Это означает, что читать данные с какого-либо устройства имеют право несколько главных устройств, однако записывать информацию в конкретное подчиненное устройство может лишь одно главное. PROFIbus-PA обычно применяется в системах автоматизации "влажных" химических и нефтеперерабатывающих отраслей, где из соображений безопасности необходима низковольтная и малоточная логика. Это, по сути, PROFIbus-DP, с теми же протоколами, но в иной физической реализации. 11 Протокол Ethernet • Происхождение: Digital Equipment Corporation, Intel и Xerox, 1976 год. • Реализация: масса микросхем самых разных производителей. Базируется на стандарте IEEE 802.3. • Форматы: 10Base2, 10BaseT и 100BaseT, 100BaseFX, 1 Gigabit; кабели с медной жилой (витая пара/тонкий коаксиальный) и оптоволокно. • Коннекторы: коаксиальные и RJ45. • Максимальное число узлов: 1024; с использованием маршрутизаторов может быть увеличено. • Длина соединения: от 100 метров (10Base2) до 50 км (одномодовый оптоволоконный кабель с коммутаторами). • Скорость передачи: 10 Мбит/с, 100 Мбит/с. • Размер сообщения: от 46 до 1500 байт. • Метод обмена: одноранговый. • Типичные области применения: почти повсеместная распространенность в офисных и административных локальных сетях. Широко используется для связи персональных компьютеров, программируемых контроллеров и управляющих систем. Постепенно начинает применяться и на "уровне датчиков" в производственных системах. • Достоинства: Ethernet самый распространенный и практически универсальный международный сетевой стандарт. Поддерживает передачу больших объемов данных с высокой скоростью, способен удовлетворить потребности крупных систем. • Недостатки: большие издержки при передаче данных небольшого объема. Подача питающего напряжения по сетевому кабелю не производится. Физически уязвимые коннекторы, повышенная по сравнению с другими промышленными шинами чувствительность к электромагнитным помехам. Слишком большое разнообразие открытых и фирменных стандартов обработки данных. Объединение миллионов учрежденческих компьютеров в сети и распространение Интернета по всему миру превратило Ethernet во всеобщий сетевой стандарт. Аппаратные и программные средства для Ethernet достигли такого уровня, когда строить несложные сети и подключать компьютеры друг к другу способен даже совершенно неопытный пользователь. Приложение Б Практические задания по теме «Передаточные функции АСР» Общее задание Дана одноконтурная АСР, для которой определена передаточная функция регулятора (Р) с настройками и дифференциальное уравнение объекта управления (ОУ). Требуется определить: - передаточную функцию разомкнутой системы W∞(s); - характеристическое выражение замкнутой системы (ХВЗС); - передаточные функции замкнутой системы Фз(s) – по заданию, Фв(s) – по возмущению, ФЕ(s) – по ошибке; - коэффициенты усиления АСР; - устойчивость системы. Пример решения задания Дан ПИ-регулятор с ПФ вида Wp = 2 + и объект управления, описываемый дифференциальным уравнением . Определяется передаточная функция объекта: . Тогда передаточная функция разомкнутой системы имеет вид . ХВЗС: D(s) = A(s) + B(s) = 2s4 + 3s3 + s2 + 2s3 + 9s2 + 6s + 1 = 2s4 + 5s3 + 10s2 + 6s + 1. Передаточные функции замкнутой системы: - по заданию, - по ошибке, - по возмущению. По передаточным функциям определяются коэффициенты усиления путем подстановки в них s = 0: Кз = Фз(0) = 1 – по заданию; КЕ = ФЕ(0) = 0 – по ошибке; Кв = Фв(0) = 0 – по возмущению. Устойчивость АСР определяется по критерию Гурвица. Поскольку коэффициенты ХВЗС а4 = 2, а3 = 5, а2 = 10, а1 = 6, а0 = 1 (степень полинома n = 4), то матрица Гурвица имеет вид (обратите внимание на сходство строк матрицы: 1 с 3 и 2 с 4). Определители: Δ1 = 5 > 0, , Δ4 = 1* Δ3 = 1*209 > 0. Поскольку все определители положительны, то АСР устойчива. ♦ Варианты заданий Вариант ПФ регулятора Дифференциальное уравнение ОУ 1 Wp = 4 + ; 2 Wp = 5 + ; 3 Wp = 0,5 4 Wp = 2 + ; 5 Wp = 1 + ; 6 Wp = 4 7 Wp = 5 + ; 8 Wp = 8 9 Wp = 4 + ; 10 Wp = 11 Wp = 1 + ; 12 Wp = 1 + 13 Wp = 5 + ; 14 Wp = 1 + ; 15 Wp = ; 16 Wp = 1 + ; 17 Wp = 1 + ; 18 Wp = 2 19 Wp = 4 20 Wp = ; 21 Wp = 2 + ; 22 Wp = 1 + ; 23 Wp = 0,5 + ; 24 Wp = 0,1 25 Wp = 0,2 + ; 26 Wp = 2 + ; Приложение В Практические задания по теме «Идентификация объекта управления и определение настроек регулятора формульным методом» Общее задание По табличным данным построить переходную кривую объекта, определить параметры передаточной функции объекта, рассчитать настройки ПИД-регулятора, обеспечивающие 20%-ное перерегулирование. Обозначены: Х – входное воздействие объекта, Y – выходное,  - запаздывание объекта (в таблицу не включено). Варианты заданий Задание № 1. X = 0,15 кг/см2; Y = 24 С;  = 1 мин t, мин 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Y 0,0 4,4 8,8 12,8 16,0 18,8 21,0 22,2 23,8 24,0 Задание № 2. X = 15 кПа; Y = 150 мм; зап = 0,15 мин t, мин 0,00 0,25 0,50 0,75 1,00 1,25 1,50 1,75 2,00 2,25 2,50 2,75 3,00 Y 9 20 34 52 79 108 124 136 143 148 149,7 150 Задание № 3. X = 90 м3/ч; Y = 45 С; зап = 0,1 мин t, мин 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 Y 0,0 5,5 16,0 25,5 31,5 35,0 38,0 40,0 41,7 43,0 43,8 44,5 45,0 Задание № 4. X = 0,25 кг/см2; Y = 8 С; зап = 1 мин t, мин 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 Y 0,00 0,10 1,30 2,75 3,90 4,90 5,70 6,30 6,70 7,20 7,50 7,70 7,85 7,95 8,00 8,00 Задание № 5. X = 0,5 кг/см2; Y = 36 С; зап = 1 мин t, мин 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Y 4,0 8,3 12,8 16,5 19,2 21,3 23,3 25,0 27,0 28,5 t, мин 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 Y 30,0 30,8 31,7 32,4 33,0 33,6 34,1 34,7 35,0 35,5 36,0 Задание № 6. X = 0,1 кг/см2; Y = 7 С; зап = 0,35 мин t, мин 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 Y 0,3 1,1 2,4 3,6 4,45 5,1 5,7 6,2 6,5 6,75 6,9 7,0 Задание № 7. X = 0,25 кг/см2; Y = 7,5 С; зап = 0,5 мин t, мин 0,5 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 Y 0,3 0,9 2,3 4 4,9 5,6 6,1 6,6 6,9 7,2 7,4 7,5 7,5 7,5 7,5 Задание № 8. X = 0,055 кг/см2; Y = 0,149 %; зап = 40 с t, мин 20 50 80 110 140 170 200 230 260 Y 0,009 0,032 0,060 0,089 0,116 0,130 0,141 0,149 0,149 Задание № 9. X = 0,2 кг/см2; Y = 23 С; зап = 0,5 мин t, мин 1 2 3 4 5 6 7 8 Y 0,6 1,8 3,6 5,8 8,2 11,2 14 16,4 t, мин 9 10 11 12 13 14 15 16 Y 18,2 20,2 21,4 22 22,4 22,6 22,8 23 Задание № 10. X = 0,2 кг/см2; Y = 30 С; зап = 1 мин t, мин 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 Y 2 5 8 10 12 15 18 25 27 30 30 30 Задание № 11. X = 0,3 кг/см2; Y = 7,0 С; зап = 0,2 мин t, мин 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 1,8 2,0 2,2 Y 0,42 1,33 2,31 3,43 4,55 5,46 6,02 6,44 6,72 6,86 7,00 Задание № 12. X = 0,25 кг/см2; Y = 50 С; зап = 2 мин 45 с t, мин 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 Y 1 5 13 21 30 36 41 45 48 49 50 50 Задание № 13. X = 0,08 кг/см2; Y = 6 С; зап = 2 мин t, мин 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Y 0,3 0,9 2 3,2 3,9 4,4 4,8 5,1 5,3 t, мин 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 Y 5,5 5,7 5,8 5,85 5,9 5,93 5,97 5,99 6 6 Задание № 14. X = 0,15 кг/см2; Y = 3,8 т/ч; зап = 3 мин t, мин 9 15 21 27 33 39 45 51 57 63 69 75 78 Y 0,65 2,23 2,85 3,2 3,4 3,53 3,62 3,67 3,72 3,75 3,77 3,79 3,8 Задание № 15. X = 0,2 кг/см2; Y = 22,6 С; зап = 30 с t, мин 1 2 3 4 5 6 7 Y 2,2 6 9,2 11,6 13,8 15,7 17,5 t, мин 8 9 10 11 12 13 14 Y 19,1 20,4 21,3 21,9 22,3 22,5 22,6 Задание № 16. X = 0,1 кг/см2; Y = 5,5 С; зап = 0,55 мин t, мин 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 Y 0,133 0,7 2,2 3,733 4,62 5,0 5,23 5,34 5,4 5,43 5,47 5,5 Задание № 17. X = 0,3 кг/см2; Y = 6,5 С; зап = 1 мин t, мин 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 Y 0,5 1,6 3,0 4,3 5,2 5,6 6,0 6,2 6,35 6,45 6,5 Приложение Г Практические задания по теме «Разработка функциональных схем автоматизации» Общее задание По заданной упрощенной функциональной схеме автоматизации построить полную схему, выбрать средства автоматизации с учетом указанных технологических параметров. Результаты оформляются в виде расчетно-графической работы на листах формата А4, включающей чертеж схемы, спецификацию и краткое описание выбранных приборов. На схемах обозначены Dу - диаметр трубопровода для подбора клапанов и диафрагм; Р - перепад давления на сужающем устройстве, См - смеситель. Варианты заданий Вариант 1. Рисунок Г.1, а. Т = 70  3 С, L = 1,5  0,5 м, Тmin = 40 С, Dу = 50 мм, Р = 0,6 МПа. Вариант 2. Рисунок Г.1, б. Р = 0,12  0,005 МПа, Pmax = 0,14 МПа, Т = 185  5 С, Dу = 100 мм. Вариант 3. Рисунок Г.1, в. Т = 250  5 С, L = 1,8  0,3 м, Тmax = 270 С, Dу = 100 мм. Вариант 4. Рисунок Г.1,г. Т = 170  3 С, F = 50  0,5 м3/ч, Тmax = 180 С, Тmin = 150 С, Dу = 100 мм, Р = 0,5 МПа, Р = 6 МПа. Вариант 5. Рисунок Г.1, д. Р = 0,8  0,01 МПа, L = 1,0  0,2 м, Lmin = 50 %L, Lmax = 80 %L, Dу = 50 мм, T = 50 C. Вариант 6. Рисунок Г.1,е. Т = 350  8 С, L = 1,5  0,4 м, Lmin = 40 %L, Lmax = 70 %L, Dу = 100 мм, Р = 0,3 МПа. Вариант 7. Рисунок Г.2, а. P = 0,2  0,001 МПа, Pmin = 0,19 МПа, Dу = 100 мм, Т1 = 40  1 С, Т2 = 45  1 С, Т3 = 50  1 С, Т4 = 55  1 С, Т5 = 60  1 С. Вариант 8. Рисунок Г.2, б. FT = 20  0,8 м3/час, Р = 0,3 КПа, РТ = 0,11 МПа, DуТ = 50 мм, FВ = 150  0,9 м3/час, Р = 0,3 КПа, DуВ = 100 мм, Т = 750  10 С. Вариант 9. Рисунок Г.2, в. Т = 20 С, F = 200  20 м3/час, Рmin = 2,3 КПа, Dу = 200 мм, Р = 2,4  0,1 МПа, Р = 6,3 КПа. Вариант 10. Рисунок Г.2, г. Т = 300  20 С, F = 140 м3/ч, Fmin = 125 м3/ч, Dу = 50 мм, Р = 5 МПа, Р = 10000 Па. Вариант 11. Рисунок Г.2,д. Т = 850  20 С, FТ = 50  0,5 м3/ч, Тmax = 900 С, Dу = 50 мм, Р = 0,15 МПа, Р = 10 КПа. Вариант 12. Рисунок Г.2, е. Т = 350  15 С, L = 1,0  0,2 м, Lmin = 40 %L, Dу = 50 мм, Р = 0,11 МПа Вариант 13. Рисунок Г.3,а. Т = 350  10 С, F = 180  5 м3/ч, Тmin = 330 С, Тmax = 370 С, Dу = 150 мм, Р = 2,5 МПа, Р = 10 КПа. Вариант 14. Рисунок Г.3, б. F = 100  5 м3/ч, Fmax = 110 м3/ч, Dу = 100 мм, Р = 0,1  0,01 МПа, Р = 630 Па. Вариант 15. Рисунок Г.3,в. Т = 80  5 С, Тmax = 100 С, Dу = 200 мм, Р = 0,8  0,08 МПа, Рmin = 0,6 КПа. Вариант 16. Рисунок Г.3,г. Т = 210  5 С, F = 200  10 м3/ч, Тmin = 180 С, Dу = 250 мм, Р = 0,5 МПа, Р = 6,3 КПа. Вариант 17. Рисунок Г.3,д. Т = 40 С, Р = 0,8  0,004 МПа, Рmin = 0,75 КПа, Dу = 100 мм, F = 120 м3/ч, Р = 10 КПа. Вариант 18. Рисунок Г.3,е. F = 250  10 м3/ч, Fmin = 230 м3/ч, Dу = 200 мм, Р = 0,15  0,001 МПа, Р = 1 КПа. Вариант 19. Рисунок Г.4,а. F = 60  3 м3/ч, Fmax = 63 м3/ч, Dу = 50 мм, Р = 4  0,5 МПа, Р = 6,3 КПа. Вариант 20. Рисунок Г.4,б. Т = 240 С, L = 1,2  0,1 м, Lmax = 0,8 L, Dу = 100 мм, Р = 0,6  0,01 МПа, Вариант 21. Рисунок Г.4,в. Т = 80  5 С, FА = 40  0,5 м3/ч, FБ = 40  0,5 м3/ч, Тmax = 85 С, DуА = DуБ = 50 мм, Р = 0,1 МПа. Вариант 22. Рисунок Г.4,г. Т = 210  10 С, Рmin = 0,75 КПа, Dу = 100 мм, Р = 0,8  0,08 МПа. Вариант 23. Рисунок Г.4,д. Р = 2 МПа, F = 140  10 м3/ч, Тmin = 330 С, Dу = 100 мм, Dу.топл. = 50 мм, Т = 350  10 С, Р = 10 КПа. Вариант 24. Рисунок Г.4,е. Т = 150 С, F = 70  0,5 м3/ч, Рmin = 1,4 МПа, Dу = 50 мм, Р = 1,5  0,2 МПа, Р = 0,4 КПа. а) б) в) г) д) е) Рисунок Г.1 а) б) в) г) д) е) Рисунок Г.2 а) б) в) г) д) е) Рисунок Г.3 а) б) в) г) д) е) Рисунок Г.4 СОДЕРЖАНИЕ С. Введение 3 Часть 1. Теория Автоматического Управления (ТАУ) 4 1 Основные термины и определения ТАУ 4 1.1 Основные понятия 4 1.2 Классификация АСР 9 1.3 Классификация элементов автоматических систем 11 2 Характеристики и модели элементов и систем 12 2.1 Основные модели 12 2.2 Статические характеристики 13 2.3 Временные характеристики 14 2.4 Дифференциальные уравнения. Линеаризация 15 2.5 Преобразования Лапласа 17 2.6 Передаточные функции 24 2.6.1 Определение передаточной функции 24 2.6.2 Примеры типовых звеньев 24 2.6.3 Соединения звеньев 28 2.6.4 Передаточные функции АСР 29 2.6.5 Определение параметров передаточной функции объекта по переходной кривой 32 2.7 Частотные характеристики 33 2.7.1 Определение частотных характеристик 33 2.7.2 Логарифмические частотные характеристики 37 3 Качество процессов управления 38 3.1 Критерии устойчивости 38 3.1.1 Понятие устойчивости линейных систем 38 3.1.2 Корневой критерий 40 3.1.3 Критерий Стодолы 41 3.1.4 Критерий Гурвица 41 3.1.5 Критерий Михайлова 43 3.1.6 Критерий Найквиста 44 3.2 Показатели качества 46 3.2.1 Прямые показатели качества 46 3.2.2 Корневые показатели качества 47 3.2.3 Частотные показатели качества 49 3.2.4 Интегральные показатели качества 49 3.2.5 Связи между показателями качества 50 4 Настройка регуляторов 50 4.1 Типовые законы регулирования 50 4.2 Определение оптимальных настроек регуляторов 54 Часть 2. Средства автоматизации и управления 63 1 Измерения технологических параметров 63 1.1 Государственная система приборов (ГСП) 63 1.2 Основные определения 63 1.3 Классификация контрольно-измерительных приборов 65 1.4 Виды первичных преобразователей 65 1.5 Методы и приборы для измерения температуры 66 1.5.1 Классификация термометров 66 1.5.2 Термометры расширения. Жидкостные стеклянные 66 1.5.3 Термометры, основанные на расширении твердых тел 67 1.5.4 Газовые манометрические термометры 67 1.5.5 Жидкостные манометрические термометры 68 1.5.6 Конденсационные манометрические термометры 68 1.5.7 Электрические термометры 68 1.5.8 Термометры сопротивления 70 1.5.9 Пирометры излучения 70 1.5.10 Цветовые пирометры 71 1.6 Вторичные приборы для измерения разности потенциалов 71 1.6.1 Пирометрические милливольтметры 71 1.6.2 Потенциометры 72 1.6.3 Автоматические электрические потенциометры 72 1.7 Методы измерения сопротивления 73 1.8 Методы и приборы для измерения давления и разряжения 74 1.8.1 Классификация приборов для измерения давления 74 1.8.2 Жидкостные манометры 75 1.8.3 Чашечные манометры и дифманометры 76 1.8.4 Микроманометры 76 1.8.5 Пружинные манометры 76 1.8.6 Электрические манометры. Преобразователи давления типа "Сапфир" 76 1.9 Методы и приборы для измерения расхода пара, газа и жидкости 78 1.9.1 Классификация 78 1.9.2 Метод переменного перепада давления 79 1.9.3 Расходомеры постоянного перепада давления 80 1.9.4 Расходомеры переменного уровня 81 1.9.5 Расходомеры скоростного напора 81 1.10 Методы и приборы для измерения уровня 81 1.10.1 Методы измерения уровня 81 1.10.2 Поплавковый метод измерения уровня 81 1.10.3 Буйковые уровнемеры 82 1.10.4 Гидростатические уровнемеры 82 1.10.5 Электрические методы измерения уровня 82 1.10.6 Радиоволновые уровнемеры 83 2 Исполнительные устройства 83 2.1 Классификация исполнительных устройств 83 2.2 Исполнительные устройства насосного типа 84 2.3 Исполнительные устройства реологического типа 85 2.4 Исполнительные устройства дроссельного типа 85 2.5 Исполнительные механизмы 86 3 Функциональные схемы автоматизации 87 3.1 Условные обозначения 87 3.2 Примеры построения условных обозначений приборов и средств автоматизации 91 3.3 Основные принципы построения функциональных схем автоматизации 94 3.4 Примеры схем контроля температуры 97 3.5 Примеры схем контроля давления 98 3.6 Схемы контроля уровня и расхода 100 Часть 3. Современные системы управления производством 104 1 Структура современной АСУТП 104 2 Аппаратная реализация систем управления 107 2.1 Средства измерения технологических параметров 107 2.2 Устройства связи с объектом 109 2.3 Аппаратная и программная платформа контроллеров 115 2.4 Промышленные сети 116 3 Программная реализация систем управления 120 3.1 Виды программного обеспечения 120 3.2 SCADA-системы 121 3.3 Работа с СУБД 127 3.3.1 Принципы работы баз данных 127 3.3.2 Обеспечение безопасности баз данных 130 3.3.3 Операторы языка SQL 131 3.4 Методология IDEF 134 3.4.1 Модели систем 134 3.4.2 Методика построения функциональной модели 135 3.4.3 Методика построения информационной модели 136 3.5 Программные системы управления производством 139 Список литературы 142 Приложение А. Характеристики основных промышленных шин 145 Приложение Б. Практические задания по теме «Передаточные функции АСР» 155 Приложение В. Практические задания по теме «Идентификация объек- та и определение настроек регулятора формульным методом» 158 Приложение Г. Практические задания по теме «Разработка функциональных схем автоматизации» 161