Конюх В.Л. Компьютерная автоматизация производства

Подождите немного. Документ загружается.

Министерство образования и науки Российской Федерации

НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

–––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––

В.Л. КОНЮХ

КОМПЬЮТЕРНАЯ АВТОМА ТИЗАЦИЯ

ПРОИЗВОДСТВА

Утверждено

Редакционно-издательским советом университета

в качестве учебного пособия

НОВОСИБИРСК

2006

УДК 681.5+004.384](075.8)

К 655

Рецензенты:

канд. техн. наук, доц. А.В. Чупин (Кемеровский технологический

институт пищевой промышленности),

д-р техн. наук, проф., зав. кафедрой автоматизации

исследований и технической кибернетики В.Я. Карташов

(Кемеровский государственный университет),

заместитель начальника отдела АСУ В.А. Некрасов ОАО «Кокс»

Конюх, В.Л.

К 655 Компьютерная автоматизация производства : учеб. пособие:

В.Л. Конюх. – Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2006. –

108 с.

ISBN 5-7782-0622-4

Рассмотрены способы управления дискретными и непрерывными

процессами для разных типов технологической среды. Выделены

уровни автоматизации компьютерно-интегрированного производства.

Описываются датчики, исполнительные устройства и каналы их связи

с микропроцессорными устройствами управления, принципы меха-

троники, развитие программоносителей, устройство программируе-

мых контроллеров, особенности промышленных компьютеров, стан-

дартные языки программирования управляющих устройств.

Предназначено для обучения студентов по направлению 550200 –

«Автоматизация и управление», а также для переподготовки специа-

листов по автоматизации производства.

УДК 681.5+004.384](075.8)

ISBN 5-7782-0622-4  В.Л. Конюх, 2006

 Новосибирский государственный

технический университет, 2006

ОГЛАВЛЕНИЕ

ПРЕДИСЛОВИЕ ............................................................................................. 4

ВВЕДЕНИЕ ..................................................................................................... 6

Глава 1. ПРИНЦИПЫ КОМПЬЮТЕРНОГО УПРАВЛЕНИЯ ...................... 8

1.1. Объекты автоматизации................................................................... 8

1.2. Модель объекта в непрерывном производстве.............................. 15

1.3. Модель управления дискретным объектом ................................... 19

1.4. Уровни автоматизации................................................................... 23

1.5. Развитие автоматизации ................................................................ 25

Контрольные вопросы................................................................................... 29

Глава 2. СВЯЗЬ С ОБЪЕКТОМ ................................................................... 30

2.1. Датчики .......................................................................................... 30

2.2. Исполнительные устройства.......................................................... 57

2.3. Преобразование сигналов .............................................................. 61

2.4. Каналы связи .................................................................................. 66

Контрольные вопросы................................................................................... 70

Глава 3. ЛОКАЛЬНАЯ АВТОМАТИКА ..................................................... 72

3.1. Мехатроника .................................................................................. 72

3.2. Программоносители ....................................................................... 81

3.3. Программируемые контроллеры ................................................... 84

3.4. Промышленные компьютеры ........................................................ 93

3.5. Программирование управляющих систем ..................................... 94

Контрольные вопросы................................................................................. 106

CПИСОК РЕКОМЕНДУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ ........................................ 107

ПРЕДИСЛОВИЕ

Появление микропроцессоров привело к принципиальному изме-

нению систем автоматизации производства. В первую очередь, это ка-

сается перехода к распределенным перепрограммируемым устройствам

управления, соединенным промышленными шинами. Уровни управле-

ния оборудованием и формирования программы производства стали

соединять друг с другом и подключать к сети Интернет. Компьютер-

ная интеграция позволила повысить эффективность производства и

быстрее приспосабливаться к изменяющейся ситуации на рынке. Вы-

яснилось, что инженерный корпус российских предприятий оказался

не готов к идеям компьютерной автоматизации. Столичные фирмы

стали вести платную переподготовку специалистов предприятий, за-

крывая доступ к своим учебным материалам. Учебная литература по

компьютерной автоматизации производства в России практически от-

сутствует. Журнальные публикации и материалы фирм имеют реклам-

ный характер, поэтому малопригодны для обучения.

Назрела необходимость подготовки специалистов, способных сфор-

мировать стратегию автоматизации производства, определить требова-

ния к системе и устройствам автоматизации, сопровождать реализа-

цию проекта компьютерно-интегрированного производства, обеспе-

чить эффективную эксплуатацию автоматизированного оборудования.

В разработанном спецкурсе студенты должны изучить уровни ав-

томатизации компьютерно-интегрированного производства, датчики и

исполнительные устройства систем автоматизации, программируемые

контроллеры, промышленные компьютеры, стандартные языки про-

граммирования управляющих систем, промышленные шины и прото-

колы обмена информацией, системы компьютерной диспетчеризации

SCADA, методы компьютерной имитации и анимации производства,

способы обучаемого управления процессами и примеры реализации

систем компьютерной автоматизации в разных отраслях. По оконча-

нии обучения специалисты должны уметь разрабатывать модели объ-

ектов автоматизации, формализовать алгоритмы управления объекта-

ми, формировать наборы датчиков для управления объектами, про-

граммировать распределенные устройства управления, компоновать

иерархическую структуру компьютерно-интегрированного производ-

ства, применять современные устройства автоматики для решения

практических задач производства.

Учебное пособие по компьютерной автоматизации производства

разработано впервые. Из-за отсутствия аналогичных изданий при-

шлось искать информацию через сеть Интернет, переводить и изучать

множество зарубежных публикаций и рекламных материалов. Проис-

ходящая сейчас информационная революция в автоматизации произ-

водства и быстрое обновление технических средств делают нецелесо-

образным описание конкретных устройств. Поэтому здесь изложены

уже установившиеся принципы компьютерных технологий автомати-

зации. Учебный материал апробирован в течение четырех лет при обу-

чении студентов Новосибирского и Кузбасского государственных тех-

нических университетов и Кемеровского государственного универ-

ситета.

Пособие состоит из двух частей. В первой части объекты автомати-

зации разделены на дискретные и непрерывные, рассмотрены методы

моделирования объектов и алгоритмов управления, проанализировано

развитие средств автоматизации, описаны датчики и исполнительные

устройства систем управления, способы связи распределенных уст-

ройств с устройством управления. Изложены идеи мехатроники, рас-

смотрено развитие программоносителей, описаны программируемые

контроллеры и языки программирования управляющих систем по

стандарту IEC-61131-3.

ВВЕДЕНИЕ

В автоматизацию мирового промышленного производства ежегод-

но вкладывают более 150 млрд долларов. Около 90 % капиталовло-

жений приходится на США, Западную Европу и страны Юго-Восточ-

ной Азии с примерно равными объемами инвестиций. Доля России

здесь не превышает 3 % [1]. Однако то, что в российской промышлен-

ности, в первую очередь пищевой, начат переход к компьютерной ав-

томатизации производства, становится очевидным.

Предприятие, включившееся в конкурентную борьбу на рынке,

ищет эффективные пути снижения себестоимости и быстрой адапта-

ции к изменяющемуся спросу. При этом качество продукции должно

быть выше, чем у конкурентов. Замораживание зарплаты, работа на

морально устаревшем оборудовании или применение компонентов

низкого качества неизбежно приводят к банкротству. Приходится ис-

кать другие пути: сокращение рабочих и улучшение условий труда,

экономию энергоресурсов, переход к более производительному обору-

дованию, стабилизацию качества. Решение этих задач невозможно без

автоматизации технологических процессов и объединения разных

уровней автоматизации информационными каналами.

Микропроцессорная техника нашла применение в персональных

компьютерах для хранения данных, стандартных расчетов и подготов-

ки документов. Начинается этап применения микропроцессоров для

автоматизации производства. Модернизация технологий путем совер-

шенствования и тиражирования программного обеспечения становится

быстрее и дешевле, чем переделка механических элементов оборудо-

вания. Появляются принципиально новые методы управления процес-

сами, основанные на распознавании образов, системы компьютерной

диспетчеризации производства, программируемые контроллеры, ин-

теллектуальные датчики, микропроцессорные регуляторы приводов,

промышленные компьютеры, промышленные шины. Подключение

локальных устройств управления единицами оборудования к сети Ин-

тернет открывает возможность управления процессом производства из

любой точки Земли. Компьютерно-интегрированное производство

приобретает свойства гибкости (быстрой смены продукции), открыто-

сти (совместимости покупаемых и применяемых средств автоматики)

и прозрачности (получения исчерпывающей информации о производ-

стве с любого уровня управления).

Информационная технологическая революция в промышленности

привела к появлению новой специальности «Системная интеграция

управления производством». Системный интегратор должен уметь вы-

рабатывать идеи по повышению эффективности конкретного произ-

водства путем автоматизации процессов, выбирать устройства автома-

тизации и объединять их в систему компьютерно-интегрированного

производства. Для этого надо хорошо знать конкретное производство,

современные технологии и устройства автоматизации, объединять

распределенные устройства автоматизации с помощью промышленных

сетей, грамотно строить и применять программное обеспечение для

управления производством.

Особенностью эксплуатации компьютерно-интегрированного про-

изводства является сочетание высокой производительности устройств

с их остановкой при отказе одного из элементов. Специалист, умею-

щий быстро определить и устранить причину остановки высокоавто-

матизированного производства, сможет значительно сократить убытки

от простоев.

Г л а в а 1

ПРИНЦИПЫ КОМПЬЮТЕРНОГО УПРАВЛЕНИЯ

1.1. ОБЪЕКТЫ АВТОМАТИЗАЦИИ

Производственный процесс можно представить как систему, пре-

образующую потоки энергии, материалов и информации (рис. 1.1).

ПРОЦЕСС

ПРОИЗВОДСТВА

Энергия

′

Материалы

′

Информация

′

Материалы

Информация

Рис. 1.1. Представление производственного процесса

Система преобразует материалы с целью получения наибольшей

прибыли от их продажи. Это достигается путем увеличения глубины

обработки материалов, экономии энергии, более полного использова-

ния информации. Примеры преобразования потоков: создание микро-

электронных компонентов из незначительных объемов сырья, сокра-

щение простоев оборудования, программное управление оборудованием.

С позиции автоматизации различают два типа производства: не-

прерывное и дискретное. К непрерывным относят производства, в ко-

торых требуется регулировать расход, давление, температуру, напря-

жение, перемещение подвижных элементов и прочие величины во

всем диапазоне их изменений. Это разнообразные химические реакто-

ры, процессы приготовления пищевых продуктов, металлургия, снаб-

жение теплом, водой и электроэнергией. К дискретным относят про-

изводства с конечным числом состояний переменных, например

с включением и отключением клапанов, задвижек, пускателей по сиг-

налам двухпозиционных датчиков.

В непрерывных производствах занято мало людей, поэтому за счет

автоматизации можно снизить затраты материалов и энергии или ста-

билизировать технологический процесс, исключив его зависимость от

субъективных факторов. Для управления таким производством требу-

ется согласование динамических характеристик объекта управления и

системы автоматического регулирования во всем интервале изменения

регулируемых величин.

Автоматизация дискретного производства развита меньше вследст-

вие большего разнообразия изделий и операций, повышенных требо-

ваний к точности операций. Здесь занято множество рабочих ручного

труда. Для дискретного производства возможно огромное число вари-

антов автоматизации, отличающихся последовательностью операций,

затратами и эффективностью. Их сопоставление требует формального

описания алгоритмов управления оборудованием и разработки моде-

лей организации производства. В последнее время методы автомати-

зации дискретного производства все чаще применяют к автоматизации

непрерывного производства.

Сложность управления производством зависит от полноты пере-

числения технологических ситуаций S, необходимых и достаточных

для выработки управляющих решений. Каждую ситуацию задают на-

бором значений признаков, характеризующих внешнюю обстановку и

состояние объекта управления. Значения признаков могут быть непре-

рывными или бинарными. В первом случае для управления важна, на-

пример, величина скорости движения, во втором – отсутствие или на-

личие факта превышения заданной скорости. Для задач управления

часто нужны только факты изменений в технологической среде, по-

этому непрерывные признаки сводят к бинарным. Это позволяет зна-

чительно сократить число ситуаций, в которых принимается управ-

ляющее решение. Тем не менее даже при бинарных признаках ввод

каждого дополнительного признака увеличивает число комбинаций

признаков или описываемых ими ситуаций в два раза. Так, для пяти

бинарных признаков среды число описываемых ситуаций S = 2

= 32,

а после ввода еще одного признака требуется описать уже S = 2

= 64

ситуации. С другой стороны, некоторые ситуации, описанные комби-

нациями признаков, невозможны по технологическим условиям. На-

пример, невозможны ситуации, в которых одинаковые значения при-

знаков движения вперед и назад.

В зависимости от числа n датчиков, воспринимающих внешнюю

обстановку и состояние объекта, технологическая среда может быть

полностью определенной, организованной или неорганизованной

(рис. 1.2).

В полностью определенной среде управление задано для всех ком-

бинаций признаков среды. Например, включается и отключается неко-

торый механизм с датчиком аварии. Состояние среды характеризуетcя

наличием или отсутствием сигнала с датчика аварии, а состояние объ-

екта – работой или остановкой механизма. Для двух бинарных призна-

ков возможны только 2

= 4 ситуации (рис. 1.2, а): I – механизм работа-

ет, аварии нет; II – механизм работает, авария есть; III – механизм не

работает, аварии нет; IV – механизм не работает, авария есть. В каж-

дой ситуации может быть принято одно из трех решений: для I и IV –

ничего не предпринимать; для II – отключить механизм; для III –

включить механизм. Управление такого типа реализовано в программ-

ных роботах и системах защиты механизмов от перегрузки.

Механизм

Датчик

III

а б в

Рис. 1.2. Типы технологической среды:

а – полностью определенная; б – организованная; в – неорганизованная

В организованной среде некоторые из ситуаций невозможны по

технологическим условиям, поэтому можно задать управление только

для подмножества S

⊆ S возможных ситуаций, считая, что остальные

ситуации никогда не возникнут (за исключением отказов датчиков).

В этом случае множество комбинаций признаков среды разбивают

на подмножества возможных S

и невозможных S

=S

ситуаций

(рис. 1.2, б). Перечислить возможные ситуации S

и задать для них

управление можно, если число признаков ситуаций не превышает 5–6.

К такому типу относится управление стационарными установками и

адаптивными роботами.

В неорганизованной среде из-за большого числа признаков среды

не удается полностью перечислить множество возможных ситуаций S

Это называют «проклятием размерности», когда ввод каждого q-знач-

ного признака увеличивает число ситуаций в q раз. Знания о среде

приходится формировать путем обучения распознаванию образов. На-

блюдая некоторое время за процессом, составляют обучающую выбор-

ку из части возможных ситуаций S

⊆ S

(рис. 1.2, в). Затем отыскива-

ют решающие функции, делящие обучающую выборку S

на подмно-

жества по числу решений. Эти функции используют для распознава-

ния новых ситуаций из S

⊆ S

, не встречавшихся в обучающей выбор-