Абдулин С.Ф. Системы автоматики предприятий стройиндустрии

Подождите немного. Документ загружается.

сигнала МЦК; переключение входных и выходных сигналов; задание

уставок в виде потенциалов или цифровых кодов; обнаружение от-

клонений путем сравнения полученных сигналов с уставками; аналого-

цифровое преобразование сигналов; цифровую регистрацию; сиг-

нализацию и отображение информации; выдачу информации на авто-

матические системы управления; некоторые математические операции над

поступающей информацией.

Сигнал от измерительного преобразователя Д (рис. 1.10),

являющийся функцией измеряемой величины, проходит ряд устройств, в

каждом из которых над ним производятся определенные операции. Так, в

устройстве нормализации Н входной сигнал изменяется до значения,

необходимого для работы МЦК, т. е. вводится определенный масштабный

коэффициент. Кроме того, устройство нормализации может менять форму

сигнала, например выпрямлять сигнал переменного тока, который может

быть при использовании ряда датчиков.

В устройстве задания установок ЗУ имеется возможность получить

два уровня напряжений для каждого канала, соответствующих границам

допустимых значений измеряемой величины.

Рис. 1.10. Структурная схема одного канала МЦК: а – для сравнения аналоговым

сигналом; б – для сравнения цифровым сигналом

Устройство обнаружения отклонений ОО сравнивает поступивший

сигнал с граничными уровнями и в случае выхода его за допустимые

пределы, создает необходимое воздействие на последующие блоки

(световой индикатор С).

Аналого-цифровой преобразователь (АЦП) преобразует аналоговый

сигнал в код, который подается на цифропечатающее (ЦПУ) или вы-

числительное устройство.

Структурные схемы одного канала МЦК могут быть двух типов. Так,

на схеме рис. 1.10, а аналоговый сигнал датчика через устройство

нормализации подается на устройство обнаружения отклонений, где

сравнивается с уровнями, подаваемыми из устройства задания уставок ЗУ.

Этот же сигнал может быть преобразован с помощью АЦП и подан на

ЦПУ.

На рис. 1.10, б входной сигнал после нормирователя с помощью

АЦП преобразуется в цифровой код, который в устройстве обнаружения

отклонений сравнивается с уровнями блока уставок, подаваемыми в виде

цифрового кода. Сигнал на автоматическое устройство управления может

быть аналоговым (А), взятым от точки а, или цифровым (Ц) – от точки б.

Рис. 1.11. Упрощенная структурная схема МЦК

При построении многоканальных МЦК необходимо иметь минимум

использованной аппаратуры. Это достигается путем построения обе-

гающих МЦК, в которых производится многократное использование

некоторых функциональных устройств, а информация от датчиков

поступает в порядке очереди. Обегающий контроль значительно экономит

аппаратуру, но создает интервалы между очередными обращениями к

одной и той же точке контроля.

Различное использование принципов обегания и цифрового преоб-

разователя аналоговой информации приводит к ряду структурных схем

МЦК. Одна из наиболее простых схем показана на рис. 1.11. Она

предназначена для обслуживания n датчиков. Сигналы от каждого датчика

через нормирователи Н подаются на входной переключатель П

вх

соединяющий на определенное время датчик с устройствами ОО, АЦП,

ЦПУ, ЗУ и С, которые за это время должны обслужить одну точку.

Следовательно, быстродействие МЦК зависит от быстродействия от-

дельных блоков, особенно АЦП.

Д1

Д2

вх

АЦП ЦПУ

ЗУ ОО С

Рис. 1.12. Структурная схема МЦК с переменной скоростью входного переключателя

Чтобы увеличить быстродействие МЦК (рис. 1.12) при заданном

быстродействии АЦП, можно идти двумя путями:

1) сравнение поступающего сигнала с заданными значениями вести в

аналоговой форме, так как для этого необходимо меньше времени, чем для

цикла работы АЦП;

2) выводить на печать не все значения контролируемых параметров,

а только их отклонения за установленные пределы. Этим условиям от-

вечает схема, показанная на рис. 1.13. В ней П

вх

останавливается на время,

меньшее, чем требуется для АЦП, но достаточное для аналогового

сравнения полного цикла входных сигналов с заданными уставками в

устройстве ОО. Устройство же АЦП включается только при обнаружении

недопустимых отклонений. При этом от ОО поступает команда на входной

переключатель, который задерживается в таком положении на время,

необходимое для цикла преобразования и печати.

В тех случаях, когда замедление в обнаружении отклонений не-

допустимо, может быть использована схема МЦК с двумя входными

переключателями (см. рис. 1.13). Переключатель П

вх

1 обслуживает часть

схемы, выполняющую сравнение и подачу сигнала при обнаружении

отклонений, а другой П

вх

2 предназначен для регистрации параметров. При

такой структуре П

вх

1 может производить обегание значительно быстрее,

чем П

вх

2, или же П

вх

2 в обычном ритме не работает, а запускается только

тогда, когда необходимо вводить цифровой код в ЦПУ или на схему

автоматического управления.

Рис. 1.13. Структурная схема МЦК с двумя входными переключателями

Упрощенные структурные схемы МЦК не дают полного представ-

ления о всех устройствах, входящих в состав машины, поэтому на рис. 1.14

показана полная типовая структурная схема. Конечно, эта схема не

исчерпывает всех возможностей, но является достаточно универсальной. В

ней сигналы датчиков через нормирователи Н преобразуются к уровню

входного параметра МЦК. Так как датчики могут быть различного типа, то

и нормирователи должны им соответствовать.

Входной переключатель со скоростью, задаваемой блоком управ-

ления БУ, поочередно подает входные сигналы для последующей об-

работки. По команде БУ сигнал и уровни потенциалов поступают на блок

ОО.

В случае обнаружения отклонения от блока ОО сигнал подается на

выходной переключатель П

вых

, который переключается синхронно с П

вх

Следовательно, в любой момент времени к схеме подключен один из

датчиков и соответствующий ему световой индикатор С, который будет

работать только при наличии недопустимых отклонений. В этом случае

замедляется темп работ П

вх

и П

вых

и запускается ЦПУ, на которое подается

цифровой код измеряемой величины от АЦП. В это же время включаются

цифровое отсчетное устройство ЦУ и вычислительное устройство ВУ, если

программа предусматривает какую-либо математическую обработку

результатов измерений. Цифровые коды величин, подлежащих

математической обработке, поступают в оперативную память

вычислительного устройства, откуда по команде БУ могут быть выданы на

ЦУ или ЦПУ.

Рис. 1.14. Полная типовая структурная схема МЦК

1.3.5. Комплексные системы автоматизации

зданий и сооружений

Выбор технических средств автоматизации при создании

автоматических и автоматизированных систем управления зданиями и

сооружениями должен основываться на современных средствах ГСП-2,

которая в настоящее время получила мощное техническое развитие на

микропроцессорной основе и обеспечила удобную среду обитания

проживающих. Этому, в частности, способствует беспроводная система

передачи информации.

Информационная, конструктивная и энергетическая напряженности

устройств ГСП ускоряют проектирование и создание систем

автоматического контроля, регулирование управления.

Дальнейшим развитием ГСП является создание в рамках

агрегатированных комплексов, представляющих собой рациональные ряды

функционально законченных блоков и устройств для построения

информационных – измерительных, управляющих и испытательных

систем. Каждый комплекс содержит обоснованный минимум элементов,

обеспечивающих возможность построения разнообразных устройств

автоматики методом агрегатирования и совместного использования

элементов различных комплексов.

Агрегатные комплексы (АК) для построения АСУ ТП широко

используют вычислительную технику. В таблице для АК приводятся

некоторые агрегатные комплексы и данные их области применения.

Быстрое развитие с конца 80-х гг. ХХ в. микроэлектроники и

микропроцессорных устройств, нашедшее применение во всех

технических системах, изменило представление и содержание принципов и

основ управления процессами производства. АСУ ТП стали носить

характер распределенных (территориально и функционально) систем

управления (РСУ), в качестве узловых станций в которых используются

промышленные ПЭВМ или рабочие станции операторские терминалы,

программируемые контроллеры, серверы и др., а датчики и

исполнительные устройства становятся интеллектуальными устройствами,

осуществляющими получение, обработку и преобразование информации в

цифровой сигнал вместе их установками, что резко повысило

функциональные возможности и компактность устройств. Большое

влияние на средства передачи информации оказывают глобальные сети

Internet.

Развитие систем непосредственного цифрового управления процессами

выдвигает требования надежности, точности и быстродействия, что

вызывает необходимость резервирования высокоточных систем

(дублирование, троирование аппаратных и программных средств),

датчиков и преобразователи измеряемых параметров процесса,

быстродействующие процессы и сопроцессы для обработки и передачи

сигналов и т. д.

Появилась возможность интеграции АСУ ТП с автоматизированными

системами управления предприятия АСУП, что, несомненно, будет

способствовать повышению экономической эффективности РСУ.

Снижение цен на микропроцессоры наряду с расширением их

технических характеристик, развитием элементов памяти и

микроэлектроники в целом привело к созданию программируемых

микропроцессорных контроллеров (ПМК) различного назначения,

специализированных микро- и мини-ЭВМ, моноблочных и модульных

контроллеров, интеллектуальных терминалов и рабочих станций.

Дальнейшей интеграции средств вычислительной техники для

совместного использования в структуре РСУ способствует выработка

международных стандартов на протоколы передачи данных, способы

кодирования информации, техническое и программное обеспечение систем

управления и др. под руководством ISO (International Organization for

Standardization – Международная организация по стандартизации,

включающая более 70 национальных организаций по стандартизации).

Большое влияние на средства передачи информации оказывают

глобальные сети Internet.

В последние годы наметилась интеграция АСУ ТП и АСУП на базе

сервера БД РВ, являющегося ядром интегральной системы управления.

Сформированная архитектура РСУ включает уровни датчиков и

исполнительных механизмов (уровень 0 или полевой уровень), устройства

связи с объектом (1-й уровень), контроллеров (2-й уровень) и

автоматизированных рабочих мест (АРМ) оператора (3-й уровень или

диспетчерский уровень). В последние годы, однако, это архитектура

претерпевает существенные изменения. Все большее число фирм (OSI Soft,

Siemens, Iconics и ряд др.) поставляют на рынок промышленной

автоматизации законченные решения по автоматизации технологических

процессов и предприятий в целом, обеспечивая как горизонтальную, так и

вертикальную интеграцию вычислительных ресурсов с использованием

единой базы данных (сервера) для решения всего комплекса задач

управления предприятием. Располагаясь в иерархической структуре РСУ

между 3-м уровнем и уровнем АСУП (4-й административный или бизнес-

уровень), сервер единой базы данных трансформирует информацию с

нижних уровней, в том числе от систем АСКУЭ – автоматизированной

системы контроля и учета энергоресурсов, АСОДУ – автоматизированной

системы оперативно-диспетчерского управления и др., передает ее в

унифицированном виде на административный уровень. Таким образом,

сервер единой базы данных становится ядром интегрированной системы

управления предприятия в целом.

Выбор контроллеров для распределенной системы управления

обусловлен большим числом разнородных факторов, зависящих прежде

всего от того, является ли система вновь проектируемой или решаются

задачи модернизации существующей системы [35].

Раздел 2

ТЕХНИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА АВТОМАТИЗАЦИИ

И СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ

ПРОИЗВОДСТВЕННЫМИ ПРОЦЕССАМИ.

СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ И ТЕНДЕНЦИИ

РАЗВИТИЯ

2. СОСТОЯНИЕ ТЕХНИЧЕСКИХ СРЕДСТВ

АВТОМАТИЗАЦИИ

2.1. Назначение и проблемы проектирования

технических средств автоматизации

Технические средства (ТС) для автоматизации управления тех-

нологическими процессами выполняют следующие функции: сбор и преобразование

информации (без изменения ее содержания) о состоянии процесса; передачу

информации по каналам связи (перемещение в пространстве); преобразование,

хранение и обработку информации, формирование команд управления

(перемещение информации во времени с изменением ее содержания);

использование и представление командной информации для воздействия на

процесс и связи с оператором АСУ ТП.

Все промышленные средства автоматизации технологических процессов в

соответствии с ГОСТ 12997-84 объединяют в перечисленные функциональные группы,

образуемые по характеру преобразования информации в системах управления. В

свою очередь, средства функциональных групп дополнительно

классифицируются по признаку отношения к системе и образуют: средства на

входе системы (датчики); средства на выходе (выходные преобразователи,

средства вывода информации и команд управления процессом); внутрисистемные

технические средства (средства промежуточного преобразования информации,

обеспечивающие взаимосвязь между устройствами с различными сигналами,

различными «машинными языками», средства передачи, фиксации и обработки

информации).

Кроме этих основных групп средств используются вспомогательные

средства, такие как документационная техника, оборудование для рабочих мест

операторов-технологов и диспетчеров и др.

Многообразие групп, типов и модификаций технических средств приводит к

многоальтернативной проблеме проектирования технического обеспечения АСУ ТП

в каждом конкретном случае. При определенных структуре и алгоритмах

функционирования АСУ ТП можно предположить возможность оптимального

в каком-либо смысле выбора комплекса технических средств для этой

системы. Так, одним из наиболее важных критериев выбора КТС может

служить их стоимость, занимающая в общей стоимости системы управления

значительную часть. На рис. 2.1 показана зависимость экономичности Э от объема

капитальных вложений К и «совершенства» С технических средств [5] в

предположении о линейной зависимости С от К. Эффективность Э

(С)

АСУ ТП имеет более сложный характер в зависимости от совершенства

ТС и отражает: проявление эффективности после достижения

определенного уровня совершенства С

; резкий рост эффективности на

участке С

–С

, что соответствует так называемому эффекту «первого

шага»; первый изгиб С

и рост эффективности (участок С

–С

) за счет ис-

пользования ТС, комплектно решающих более сложные задачи ав-

томатизации; второй изгиб и значительное уменьшение роста

эффективности АСУ ТП лишь за счет совершенства ТС, свидетель-

ствующие об исчерпании возможностей принятой структуры, алгоритмов

АСУ ТП или же самой технологии производства.

Экономичность Э ТС определим как разность: Э = Э

–С, где

экономичность Э, эффективность Э

и «совершенство» С выражаются в

одинаковых единицах, например в единицах стоимости. График Э(К) (см.

рис. 2.1) свидетельствует о том, что при слишком малом и слишком боль-

шом объеме затрат К внедрение АСУ ТП может быть убыточным.

Достижение максимальной эффективности Э

за счет совершенства

выбранных средств С возможно при некотором разумном компромиссе

между затратами на ТС и их совершенством.

Рис. 2.1. Зависимость экономичности Э АСУ ТП от объёма капитальных

вложений К и совершенства технических средств С

К, С

С,Э

,Э

С(К)

Э(К)

(С)

Естественно, что приведенные рассуждения упрощенно отражают

реальный процесс создания АСУ ТП и эффект от их внедрения, однако

отсюда следует и оправдывает себя на практике тот вывод, что выбор ТС

при проектировании АСУ ТП является задачей оптимизационного,

многокритериального характера, от решения которой во многом зависит

экономическая эффективность АСУ ТП.

Задача проектирования ТС для АСУ ТП формируется обычно

следующим образом [5,6]: из множества возможных вариантов построения

комплекса ТС для конкретной АСУ ТП нужно выбрать и обосновать такой,

который обеспечивает решение заданного набора функциональных задач

системы автоматизации с заданным качеством при минимуме капитальных

и эксплуатационных затрат с учетом обеспечения возможности

функционирования системы управления в условиях прогнозируемого

изменения состава задач автоматизированного технологического

комплекса (АТК).

Проектирование АСУ ТП включает в себя ряд этапов [5], среди

которых один из главных и едва ли не самый трудоемкий и мно-

гоальтернативный – этап выбора оптимального в конкретных про-

изводственных условиях комплекса технических средств контроля и

управления. Как отмечается в [7], для комплектации технических средств

«заказчик получает аппаратуру от различных приборостроительных

заводов «россыпью» и монтирует ее на месте эксплуатации, соединяя

изделия... таким образом, чтобы обеспечить их совместное

функционирование и взаимодействие». Процесс комплектации в этих

случаях зачастую определяется не технико-экономической

целесообразностью, а возможностями поставок оборудования и привычками

проектировщиков. При этом каждый раз индивидуально по месту

эксплуатации АСУ ТП решаются задачи информационной,

функциональной, программной, конструктивной и тому подобной

совместимости средств контроля и управления. Для этого требуются

нетиповые, часто несерийные согласующие устройства, что значительно

удлиняет сроки проектирования и внедрения АСУ ТП, увеличивает

стоимость проектирования и не способствует совершенствованию

технических показателей системы.

Работы по созданию АСУ ТП можно разделить на два больших

комплекса [8]:

- проектирование структурно-алгоритмической части АСУ ТП,

включая разработку состава и структуры информационных потоков и

алгоритмов их обработки, в том числе общего алгоритма функ-

ционирования системы;

- проектирование технического обеспечения, позволяющего