Введение в автоматику

Конспект лекций Разработал: к.т.н., доцент кафедры электропривода и автоматизации Р.В. Котляров Автоматизация – одно из направлений научнотехнического прогресса, использующее саморегулирующие технические средства и математические методы с целью освобождения человека от участия в процессах получения, преобразования, передачи и использования энергии, материалов, изделий или информации, либо существенного уменьшения степени этого участия или трудоёмкости выполняемых операций. Автоматизируются: - производственные процессы; Автоматизируются: - проектирование; Автоматизируются: - организация, планирование и управление (в том числе управление предприятием); Автоматизируются: - научные исследования; Автоматизируются: - обучение; Автоматизируются: - бизнес-процессы (в том числе торговля) и др. сферы человеческой деятельности (сельское хозяйство, сфера общественного питания и др.). Роботизация - развитие автоматизации производства на основе промышленных роботов. Основные цели автоматизации: сокращение численности обслуживающего персонала; увеличение объёмов выпускаемой продукции; повышение эффективности производственного процесса; повышение качества продукции; снижение расходов сырья; повышение безопасности; повышение экологичности; повышение экономичности. Термин автомат произошел от греческого слова automatos, что в переводе на русский язык означает самодействующий (5 в. до н. э., Др. Греция и Др. Рим). Первые автоматы (эпоха античности VIII в. до н. э. — VI вв. н. э.) – капканы и катапульты, которые приводили к выполнению запрограммированного конструкцией действия по команде человека или животного. Автомат для продажи «святой воды» перед храмом богини Изиды – первый торговый автомат (Герон Александрийский, 10 – 70 г. н.э.) Автоматические двери Герона Поплавковый регулятор уровня, примененный в водяных часах Ктезибия, - первое автоматическое устройство с обратной связью Вода из верхнего резервуара через сопло 1, прикрываемое поплавком 2, поступает в резервуар 3, откуда вытекает через мерное отверстие 4 в накопитель (нижний бак) 5. По мере наполнения накопителя поплавок 6 поднимает указатель, отмечающий время, по циферблату 7. Поплавковый регулятор уровня обеспечивает постоянный напор воды в баке 3, а следовательно, и стабильную скорость подъема воды в накопителе. Эпоха Возрождения (начало XIV – последняя четверть XVI в., начало XVII в.) Леонардо да Винчи (1452-1519): - аппарат вертикального взлёта и посадки; - схема телескопа с двумя линзами; - проект водолазного костюма; - проект моста через пролив Босфор; - экскаватор; - велосипед; - танк; - прожектор; - колесцовый замок для пистолета (заводившийся ключом); - человекоподобный механизм. Христиан Гюйгенс (1629-1995): часовой механизм с маятником (1673 г.), что привело к созданию программируемых механических автоматовигрушек («андроидов» и «автоматонов»), имитирующих внешние черты и поведение животных или человека. Жак де Вокансон (1739 г.): создал утку, принимающую пищу. Пьер Жаке-Дроз: автоматические механизмы, анимированные часы (автоматоны): – музыкант – это девушка, играющая на органе, может проигрывать пять мелодий; – художник – может рисовать три картинки: портрет Людовика XV и его собаку с надписью, королевскую чету Марию Антуанетту и Людовика XVI, а также сцену с Купидоном, управлящим колесницей, запряжённой бабочками; – аллиграф – мальчик, который может писать текст, состоящий из 40 букв, использует гусиное перо, которое он периодически макает в чернильницу, при этом встряхивает перо, чтобы предотвратить кляксы; глаза двигаются вслед за текстом, и голова поворачивается к чернильнице, когда он макает в неё перо. Пьер Жаке-Дроз: Корнелиус Дреббель (начало XVII в.): инкубатор для цыплят, который оснастил ртутным термостатом, что давало возможность поддерживать постоянную температуру в инкубаторе. Дени Папен: паровой котел которой был оснащен предохранительным клапаном; регулируя положения груза, можно было задавать предельное давление сброса пара из котла. Промышленная революция (XVII-XVIII века): И. И. Ползунов: автоматический регулятор питания парового котла (1765 г.). Дж. Уатт: центробежный регулятор скорости паровой машины (1784 г.), ставшей после этого основным источником механической энергии для привода станков, машин и механизмов. Научная и промышленная революция XIX века: С. Праус (1868 г.): - автоматический указатель скорости поезда. В. Зальман, О. Графтио (1878 г.): - прибор для автоматической регистрации скорости движения поезда, времени его прибытия, продолжительности остановки, времени отправления и местонахождения поезда. Основы науки об автоматическом управлении – Дж. К. Максвелл «О регулировании» (1868 г.), И. А. Вышнеградский «О регуляторах прямого действия» (1877 г.). Научно-техническая революция XX века 1936 г. – Д. С. Хардер (США) определял автоматизацию как «автоматическое манипулирование деталями между отдельными стадиями производственного процесса». 1928—1941 г. – созданы первые заводы, производящие приборы и аппаратуру автоматики и телемеханики для автоматизации производства. 1946—1950 г. – автоматизация в энергетике, химической, нефтяной и нефтехимической промышленности, внедрение в производство автоматизированного электропривода. Научно-техническая революция XX века 1953-1958 гг. – автоматизация производства на предприятиях чёрной металлургии, в горной промышленности, в машиностроении, полная автоматизацию ГЭС. С 1955 г. – использования ЭВМ и кибернетики для автоматизации управления. Первые автоматические устройства промышленного назначения появились в связи с изобретением и развитием паровых машин и турбин в 18 и 19 веках в эпоху промышленного переворота в Европе. Первый этап – частичная автоматизация производства (автоматизация рабочего цикла машины, создание машин-автоматов и полуавтоматов). Высшей формой автоматизации производства на первом этапе было создание поточных линий из автоматов и полуавтоматов: – основные технологические процессы обработки выполняются автоматически; – межстаночная транспортировка, накопление заделов, контроль качества обработанных изделий, удаление отходов выполняются вручную. В поточных линиях из полуавтоматов вручную выполняются операции загрузки-выгрузки обрабатываемых изделий. Второй этап – автоматизация системы машин (комплексная автоматизация). Создание единой взаимосвязанной системы машин, станков, механизмов и аппаратов для выполнения полного определенного технологического цикла всех или большей части операций при производстве какого-либо продукта или полуфабриката. Комплексная автоматизация выполняется в виде автоматических линий по производству. Третий этап – полная автоматизация производственных процессов – высшая ступень автоматизации технологических процессов. Предусматривает передачу всех функций управления и контроля комплексноавтоматизированным производством автоматическим системам управления. Автоматизация технологического процесса — совокупность методов и средств, предназначенная для реализации системы или систем, позволяющих осуществлять управление самим технологическим процессом без непосредственного участия человека, либо оставления за человеком права принятия наиболее ответственных решений. Как правило, в результате автоматизации технологического процесса создаётся АСУ ТП. Термин "автоматизированная", в отличие от термина "автоматическая" подчёркивает сохранение за человеком-оператором некоторых функций, либо наиболее общего, целеполагающего характера, либо не поддающихся автоматизации. Задача управления – обеспечить желаемое поведение объекта управления (механизм, агрегат, устройство, технологический, энергетический, транспортный процесс). Поведение объекта определяется выходными величинами, как правило, значениями физических величин. Объект управления находится под влиянием воздействий со стороны внешней среды – входных воздействий. Управляющее воздействие – входное воздействие, обеспечивающее желаемое изменение поведения объекта управления. Возмущающее воздействие (возмущение) – входное воздействие, мешающее обеспечить желаемое изменение поведения объекта управления. воздействия Задача управления заключается в формировании такого закона изменения управляющих воздействий, при котором достигается желаемое поведение объекта независимо от наличия возмущений. Задача регулирования заключается в поддержании выходных величин объекта равными (или пропорциональными) некоторым эталонным функциям времени – задающим воздействия. Системы автоматического регулирования (САР) предназначены для поддержания постоянной или для изменения по требуемому закону технологической величины объекта, характеризующей протекающий в нем процесс. Это достигается формированием автоматическим устройством (регулятором) регулирующих воздействий и введением их в технологический объект. САР по отклонению Одноконтурная САР z у ОР х ИП ИУ х у АР u САР по возмущению Комбинированная САР z1 z у ОР х u ИУ х ИП1 ИП КУ у АР По характеру изменения регулирующего воздействия регуляторы делятся на: - позиционные, - непрерывного действия, - импульсные. В зависимости от вида выходного сигнала регулятора различают: - непрерывные САР (с регуляторами непрерывного действия), - дискретные САР (с позиционными и импульсными регуляторами) П П Административный уровень П П Локальная сеть. Сеть Internet Сервер базы данных APM APM Диспетчерский уровень Сети диспетчерского уровня Уровень цеха ПЛК Контроллерные сети ПЛК ПЛК Уровень промышленных контроллеров ПЛК ПЛК УСО УСО Д ИМ Сенсорные сети (sensor/actuator bus) Уровень УСО ИД ИИМ Уровень датчиков и исполнительных механизмов Контроллерный уровень ПЛК Датчик (сенсор, первичный преобразователь) — элемент, преобразующий контролируемую величину в удобный для использования сигнал. Классификация по измеряемому параметру: - датчики давления; - датчики расхода; - датчики уровня; - датчики температуры; - датчики концентрации; - датчики влажности и др. Манометр - приборы с измерением избыточного давления от 0,06 до 1000 МПа. Принцип действия основан на уравновешивании измеряемого давления силой упругой деформации трубчатой пружины, один конец которой запаян в держатель, а другой через тягу связан с механизмом, преобразующим линейное перемещение упругого чувствительного элемента в круговое движение показывающей стрелки. Манометры МП3-У в пластмассовом корпусе. Производитель: ОАО «МаноТомь» Томский манометровый завод Исполнительный механизм (исполнительное устройство) - устройство, осуществляющее перемещение регулирующего органа в соответствии с сигналами, поступающими от чувствительного или управляющего элемента. Исполнительные механизмы: - пневматические (усилие перемещения создается за счет давления сжатого воздуха); - гидравлические (усилие перемещения создается за счет давления жидкости); - электрические (усилие перемещения создается магнитным полем). Механизм пневматический мембранный типа МИМ 1 – мембрана; 2, 3 – крышки; 4 – кронштейн; 5 – пружина Механизм электрический однооборотный типа МЭО Регулирующий орган - устройство, осуществляющее непосредственное воздействие на объект управления путем изменения количества вещества или энергии. Классификация: - клапан; - заслонка; - шибер (задвижка) и др. Клапан Клапан Заслонка Шибер Индивидуальное задание: подготовить презентацию и доклад о датчике с объяснением принципа действия, привести примеры датчиков, указать сферы их применения. Размер презентации 5-7 слайдов. Время доклада до 10 мин. Программируемый логический контроллер (ПЛК) – устройство, выполняющее управление физическими процессами по записанному в него программным способом алгоритму с использованием информации, получаемой от датчиков и выводимой в исполнительные устройства. Архитектура ПЛК По расположению модулей: - моноблочные По расположению модулей: - модульные - распределенные встраиваемые Рабочая станция – ПК в промышленном исполнении. - рабочие станции для установки в 19" стойку - панельные рабочие станции - переносные рабочие станции Языки программирования ПЛК Стандарт Международной электротехнической комиссии IEC 61131-3 включает: 1. текстовые языки: - список инструкций – IL (Instruction List); - структурированный текст – ST (Structured Text); 2. графические языки: - язык диаграмм лестничной логики – LD (Ladder Diagram); - язык диаграмм функциональных блоков – FBD (Functional Block Diagrams); 3. язык графических схем (или язык последовательных функциональных схем) – SFC (Sequential Function Charts). 1. Объекты-биты: - биты ввода/вывода; - внутренние биты; - системные биты и др. 2. Объекты-слова: - байты; - слова одинарной длины; - слова двойной длины; - слова с плавающей точкой. 1. Внешняя переменная: % I, Q X, W, D x символ IEC I – вход Q – выход X – бит W – слово D – двойное слово номер корзины y . номер модуля i номер канала Например, %IX01.1 2. Внутренняя переменная: % M, K, S X, B, W, D, F i символ IEC M – внутренний K– константа S – системный X – бит B – байт W – слово D – двойное слово F – число с плавающей точкой адрес (номер ячейки памяти) Например, %MX50 Программа – последовательность ступеней, ограниченных слева и справа условными шинами и состоящих из набора графических элементов. Основные графические элементы: 1. Элементы условий: - нормально-открытый контакт; - нормально-закрытый контакт; - контакты, срабатывающие по перепаду: – возрастающий перепад – перепад 2. Элементы действия: - прямая обмотка; - обратная обмотка; - устанавливающая обмотка; - сбрасывающая обмотка. убывающий шина питания %IX01.0 %IX01.1 %IX01.2 %IX01.3 проверочная зона шина сброса %QX2.0 зона действий Ступень может быть снабжена меткой %Li и озаглавлена комментарием (*…*). Программа – набор инструкций, каждая из которых состоит из кода инструкции и операнда. Базовые инструкции 1. Проверочные инструкции Инструкции IL Эквивалентные функции LD LD, LDN, LDR, LDF AND, ANDN, ANDR, ANDF OR, ORN, ORR, ORF XOR, XORN, XORR, XORF Исключающее ИЛИ N Отрицание MPS, MRD, MPP Инструкции работы со стеком 2. Инструкции действия Инструкции IL Эквивалентные функции LD ST, STN, S, R JMP JMPC JMPCN SRn - безусловный переход - условный переход, если результат = 1 - условный переход, если результат = 0 переход к подпрограмме RET RETC RETCN -безусловный возврат из подпрограммы - условный возврат, если результат = 1 - условный возврат, если результат = 0 END ENDC ENDCN -безусловный конец программы - условный конец, если результат = 1 - условный конец, если результат = 0 HALT останов программы 3. Проверочные элементы Инструкции IL Блоки (таймер, счетчик и др.) LD[…] AND[…] OR[…] Эквивалентные функции LD сравнение двух операндов, например, LD[%MW10<50] 4. Элементы действия Инструкции IL […] Эквивалентные функции LD арифметические, логические и другие операции, например, [%MW10:=%MW15+100] Список инструкций (IL) Обязательный символ (начало последовательности инструкций) ! Метка (*Комментарий*) %L2: LD %IX01.1 AND %MX10 ST %QX02.5 Операнды Инструкции Список инструкций (IL) ! ! ! LD JMPС LD AND ST %L10: LD AND %MX0 %L10 %IX01.1 %MX10 %QX02.0 %IX01.3 %MX20 Переход на метку %L10, если %МX0=1 Список инструкций (IL) %IX01.0 %IX01.1 %QX02.0 %IX01.2 %IX01.0 %IX01.1 %IX01.2 %IX01.3 %QX02.0 LD AND OR ST %IX01.0 %IX01.1 %IX01.2 %QX02.0 LD AND OR( AND ) ST %IX01.0 %IX01.1 %IX01.2 %IX01.3 %QX02.0 Список инструкций (IL) %IX01.0 %IX01.1 %QX02.0 %IX01.2 %IX01.0 %IX01.1 %IX01.2 %IX01.3 %QX02.0 LD AND( OR ) ST %IX01.0 %IX01.1 %IX01.2 LD AND( OR( AND ) ) ST %IX01.0 %IX01.1 %IX01.2 %IX01.3 %QX02.0 %QX02.0 Список инструкций (IL) %IX01.0 %МX0 %IX01.1 %QX02.0 %IX01.2 %QX02.1 MPS %IX01.3 %QX02.2 MRD MPP %IX01.4 %QX02.3 LD AND MPS AND ST MRD AND ST MRD AND ST MPP AND ST %IX01.0 %МX0 %IX01.1 %QX02.0 %IX01.2 %QX02.1 %IX01.3 %QX02.2 %IX01.4 %QX02.3 Программа – совокупность выражений, каждое из которых начинается с «!» и состоит из метки, комментария и инструкций. Инструкции: 1. битовые: присвоение (:=), OR, AND, XOR, NOT, SET, RESET; 2. числовое сравнение: <, >, <=, >=, =, <>; 3. арифметические: +, -, *, /, SQRT, ABS, INC, DEC. Управляющие структуры: 1. Условное действие IF IF условие 1 THEN действие 1; ELSIF условие 2 THEN действие 2; ELSE действие 3; END_IF; истинно действие 1 условие 1 ложно истинно условие 2 ложно действие 2 действие 3 Упрощенная запись: ложно IF условие THEN действия; END_IF; условие истинно действия 2. Условное итеративное действие WHILE WHILE условие DO действие; END_WHILE; ложно условие истинно окончание WHILE действия 3. Условное итеративное действие REPEAT REPEAT действие; UNTIL условие END_ REPEAT; действие ложно условие окончание REPEAT истинно 4. Повторяющееся действие FOR FOR индекс := начальное значение ТО конечное значение DO действие; END_FOR; Начальное значение → индекс индекс > конечное значение истинно ложно действие Индекс + 1 → индекс 5. Выход из цикла EXIT продолжение ! ! %L95: IF %IX03.3 AND %IX03.4 THEN SET %QX04.0; END_IF; %L105: FOR %MW99:=0 TO 10 DO %MW15:=SQRT(%MW5); END_FOR; Программа – графическое описание последовательности операций. Графические элементы: 1. Начальные шаги i 2. Одиночные шаги i 3. Макро-шаги 4. Шаги шага макро- i i i i i IN OUT Каждый шаг содержит программную единицу на языках LD, IL или ST. 5. Переходы 6. Разветвление по «И» 7. Разветвление по «ИЛИ» n 8. Соединитель источника 9. Соединитель приемника n n – номер шага 12 6 7 1 8 5 2 3 5 6 7 4 9 12 1 10 11 Программа – совокупность функциональных блоков, каждый из которых является функцией, преобразующей входную информацию в выходную. Пример. LOGO! Пример. MC8 SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition диспетчерское управление и сбор данных) Повторитель РС РС РС Сегмент №1 РС Сегмент №2 Повторитель Концентратор РС РС РС Сегмент №1 РС Сегмент №2 Концентратор Сегмент №3 РС РС Концентратор Мост Коммутатор (switch) Маршрутизатор Шлюз Сервер Модель OSI/ISO ISO – International Organization for Standardization (Международная организация по стандартизации) OSI – Open System Interconnection (взаимодействие открытых систем) PDU – Protocol Data Unit (протокольный блок данных) Модель OSI/ISO Преобразование данных Физическая реализация каналов передачи данных стартбит маркер стопбит биты данных 1 2 3 4 5 6 7 8 Р Формат посылки байта данных Вход Rв Формирователь Выход Rн Схема последовательной передачи данных Стандарты последовательного режима передачи данных RS – Recommended Standard RS485 Принцип дифференциальной передачи данных RS485 Двухпроводная схема (полудуплекс) Четырехпроводная схема (дуплекс) RS485 RS422 RS232 Розетка Токовая петля (ИРПС) Вилка Среды передачи данных Коаксиальный кабель Тонкий коаксиальный кабель Внешняя оболочка Оплетка Диэлектрик Толстый коаксиальный кабель Центральный проводник Изолирующая пленка Витая пара Волоконно-оптический кабель внешняя оболочка гофрированная броня внутренне полиэтиленовое покрытие упрочняющие элементы центральный силовой элемент гидрофобный гель волокна в покрытии полимерная трубка Среды передачи данных Радиоканал Топология сетей Топология сетей Методы доступа к линиям связи 1. Централизованный (ведущий-ведомый, MASTER-SLAVE) 2. Децентрализованный 2.1. Модель множественного доступа (CSMA/CD) 2.2. Модель с передачей маркера (Token Passing Model) 1. Функциональная схема автоматизации (ФСА) основной технический документ, определяющий структуру и функциональные связи между технологическим процессом и средствами контроля и управления. ГОСТ 21.208-2013 Система проектной документации для строительства. Автоматизация технологических процессов. Обозначения условные приборов и средств автоматизации в схемах. ГОСТ 21.404-85 Система проектной документации для строительства. Автоматизация технологических процессов. Обозначения условные приборов и средств автоматизации в схемах Графические обозначения приборов - прибор, установленный по месту - прибор, установленный на щите - исполнительный механизм - регулирующий орган Графические обозначения приборов - электродвигатель - пересечение линий трубопроводов без соединения - пересечение линий трубопроводов с соединением Буквенные обозначения Буквенные обозначения Буквенные обозначения Буквенные обозначения Буквенные обозначения Пример условного обозначения прибора