Кирюшин О.В. Управление техническими системами

Подождите немного. Документ загружается.

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

 базовый физический уровень (H1 FF), обеспечивающий скорость

передачи в 31,25 Кбит/с, - на основе модифицированной версии

физического уровня IEC 1158-2,

 скоростной физический уровень (H2 FF) с максимальной скоростью

передачи в 1 Мбит/с - на основе IEC 1158-2,

 уровень сетевого протокола, в котором используются элементы проекта

стандарта унифицированной промышленной шины IEC/ISA SP 50 ,

 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.

151

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

152

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

153

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.

154

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 устройстваналогичен 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.

155

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, способна

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

156

такого уровня, когда строить несложные сети и подключать компьютеры друг

к другу способен даже совершенно неопытный пользователь.

157

Приложение 2. 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 Ф

(s) – по заданию,

(s) – по возмущению, Ф

(s) – по ошибке,

- коэффициенты усиления АСР,

- устойчивость системы.

Пример решения задания

Дан ПИ-регулятор с ПФ вида W

= 2 +

и объект управления,

описываемый дифференциальным уравнением



Определяется передаточная функция объекта:

ss3s2

1s4s

)s(W

об





Тогда передаточная функция разомкнутой системы имеет вид:

)s(A

)s(B

ss3s2

1s6s9s2

ss3s2

1s4s

2)s(W)s(W)s(W

234

обp





























ХВЗС:

D(s) = A(s) + B(s) = 2s

+ 3s

+ s

+ 2s

+ 9s

+ 6s + 1 = 2s

+ 5s

+ 10s

+ 6s + 1.

Передаточные функции замкнутой системы:

1s6s10s5s2

1s6s9s2

)s(D

)s(B

)s(W1

)s(W

)s(Ф

234













- по заданию,

1s6s10s5s2

ss3s2

)s(D

)s(A

)s(W1

)s(Ф

234













- по ошибке,

1s6s10s5s2

ss4s

ss3s2

1s6s9s2

ss3s2

1s4s

)s(W1

)s(W

)s(Ф

234

об























- по возмущению.

По передаточным функциям определяются коэффициенты усиления

путем подстановки в них s = 0:

= Ф

(0) = 1 – по заданию;

= Ф

(0) = 0 – по ошибке;

158

ОУ

= Ф

(0) = 0 – по возмущению.

Устойчивость АСР определяется по критерию Гурвица.

Поскольку коэффициенты ХВЗС а

= 2, а

= 5, а

= 10, а

= 6, а

= 1

(степень полинома n = 4), то матрица Гурвица имеет вид:













11020

0650

01102

0065

(обратите внимание на сходство строк матрицы: 1 с 3 и 2 с 4). Определители:

= 5 > 0,

0386*210*5

102

















0209

)6*6*21*5*50*10*0()0*5*20*1*66*10*5(

650

1102

065



















= 1* Δ

= 1*209 > 0.

Поскольку все определители положительны, то АСР устойчива. ♦

Варианты заданий

Вариа

нт

ПФ

регулятора

Дифференциальное уравнение ОУ

= 4 +

;



= 5 +

;



3 W

= 0,5



= 2 +

;

u5y



= 1 +

;



6 W

= 4



= 5 +

;



8 W

= 8



= 4 +

;

u4y2





= 1 +

;

u2y



159

= 1 +



= 5 +

;

u4y



= 1 +

;



;



= 1 +

;



= 1 +

;

u3y



18 W

= 2



19 W

= 4



;



= 2 +

;



= 1 +

;



= 0,5 +

;



24 W

= 0,1



= 0,2 +

;

u5y



= 2 +

;



Приложение 3. 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%-е перерегулирование.

Обозначены: Х – входное воздействие объекта, Y – выходное,  -

запаздывание объекта (в таблицу не включено)

Варианты заданий

160