Конюх В.Л. Компьютерная автоматизация производства

Подождите немного. Документ загружается.

Т а б л и ц а 1.3

Пример таблицы выходов для последовательностного автомата

Состояния

Входы

0 0 0

0 0 1

0 1 0

0 1 1

1 0 0

0 0 0

0 0 1

1 0 0

0 1 0

1 1 1

1 1 0

0 1 0

0 0 1

1 0 1

0 1 1

Автоматные таблицы составляет специалист по автоматике в ре-

зультате диалога с технологом, знающим особенности управления

объектом. Затем строки таблиц преобразуют в логические функции, по

которым после операций сокращения и минимизации строят устройст-

во логического управления объектом.

Алгоритм работы управляющего логического устройства может

быть задан автоматным графом, в котором вершины соответствуют

внутренним состояниям, а дуги – входам и выходам (в скобках).

На рис. 1.8 построен автоматный граф, соответствующий таблицам

переходов (см. табл. 1.2) и выходов (см. табл. 1.3). Автоматный граф

Рис. 1.8. Пример автоматного графа управляющего

логического устройства

нагляден и позволяет оценить неполноту или противоречивость в опи-

сании управляющего устройства. Неполнота проявляется в том, что

для некоторых входов не указаны дуги переходов. Противоречивость

обнаруживается по наличию вершин, из которых при одном и том же

входе дуги ведут к разным вершинам.

В реальных системах автоматизации число датчиков больше деся-

ти. Следовательно, число входов или строк автоматных таблиц, кото-

рые должен проанализировать разработчик, превышает

n = 2

= 1024.

Ввод каждого дополнительного датчика вдвое увеличивает число

строк. Чтобы избавиться от так называемого «проклятия размерности»,

пытаются объединить некоторые датчики. Многие из входов принци-

пиально невозможны, например одновременное появление сигналов

движения вперед и назад. Однако они все равно должны быть введены

в таблицу, чтобы можно было использовать теорию полностью опре-

деленных конечных автоматов. Недостатком автоматных таблиц и

графов является их слабая связь с логикой управления и управляющим

устройством. Уже при 5–6 признаках метод автоматных таблиц мало-

эффективен из-за трудоемкого перебора и анализа всех ситуаций, гро-

моздкости автоматных таблиц, необходимости детального изучения

технологического процесса. Известны методы описания процессов ло-

гического управления на языках автоматных графов, карт Карно, граф-

схем алгоритмов или логических схем алгоритмов. Они наглядны для

анализа, но непригодны для синтеза систем управления.

Новым способом задания алгоритмов управления является язык сек-

венций, формализующий простые условия управления «если α, то β»,

заданные технологом. Эти условия записывают в виде секвенций:

Y Ψ,

где Υ, Ψ – логические функции.

Если Y = 1, то Ψ = 1, а если Y = 0, то значение Ψ не определено.

Описание алгоритма управления на языке секвенций позволяет сокра-

тить число строк автоматных таблиц до реально возможных по техно-

логическим условиям. Таблица переходов (см. табл. 1.2) может быть

описана системой секвенций переходов

000 S

 S

001 S

 S

010 S

 S

и т.д.

Таблица выходов (см. табл. 1.3) описывается системой секвенций

выходов

000 S

 0 0 0

001 S

 1 0 0

010 S

 0 1 0 и т.д.

Сокращение системы секвенций происходит как традиционными

методами склеивания и поглощения логических функций, так и специ-

альными методами минимизации секвенциального описания.

В отличие от традиционных автоматных языков секвенциальное

описание процесса управления не требует перечисления всех комбина-

ций состояний признаков, будучи тесно связанным с технологией про-

цесса и аппаратурной реализацией. Но применение языка секвенций

ограничено конечными автоматами с элементами распределенной па-

мяти. К таким элементам относятся исполнительные устройства, кото-

рые сохраняют свое положение после отключения команды: пневмо-

переключатели и пневмогидроцилиндры с двумя состояниями, за-

движки.

Конечно, для недоопределенных конечных автоматов, заданных

секвенциями, существует опасность появления непредвиденных си-

туаций в условиях эксплуатации. В этом случае описание дополняют

новыми секвенциями или вводят устройства противоаварийного рас-

познавания ситуаций.

1.4. УРОВНИ АВТОМАТИЗАЦИИ

Компьютерно-интегрированное производство содержит пять уров-

ней автоматизации (рис. 1.9).

MRP

MES

SCADA

Control I/O

Оборудование

Планирование ресу рсов

Исполнение заданий

Диспетчеризаци

Управление

Датчики

и исполнительные устройства

Рис. 1.9. Уровни автоматизации производства

На уровне связи с оборудованием I/O (Input/Output – Вход/Выход)

обеспечивается согласование внешних элементов с устройством

управления.

На уровне управления Control встроенные в оборудование устрой-

ства управления по сигналам датчиков состояния механизмов выраба-

тывают команды управления исполнительными устройствами – приво-

дами, клапанами, световыми и звуковыми сигналами.

Одновременно с управлением информация о работе оборудования

в реальном времени передается на уровень обобщенного контроля

и приобретения данных SCADA (Supervisory Control and Data

Acquisition). На уровне SCADA ведут сортировку, преобразование и

хранение текущих данных, а также их отображение на мнемосхеме

процесса. Для диспетчера отображается поведение всех единиц обору-

дования: текущее состояние и показатели работы машин, движение

материальных потоков, обобщенная информация. Системы SCADA

позволяют наблюдать процесс в целом, отслеживать аварийную ин-

формацию, временные тенденции и статистические характеристики

процесса. При необходимости диспетчер передает обобщенные коман-

ды управления оборудованием.

Уровень планирования ресурсов MRP (Manufactoring Resources

Planning) иногда неправильно отождествляют с информационной тех-

нологией производства. Это известный вариант автоматизации офис-

ной деятельности с целью ведения бухгалтерского учета, управления

финансами и материально-техническим снабжением, организации до-

кументооборота. На этом уровне руководители производства анализи-

руют конъюнктурную стратегию: динамику рыночных цен на выпус-

каемую продукцию, уровень прибыли по разным видам продукции,

прогнозируемый спрос.

До недавнего времени уровни управления объектом производства

I/O, PLS, SCADA и уровень планирования ресурсов MRP развивались

независимо. Используя оторванные от текущего производства офис-

ные программы, менеджеры не могли выявлять резервы повышения

производительности и снижения себестоимости, изменять номенкла-

туру выпускаемой продукции. При формировании наиболее прибыль-

ной стратегии производства им надо было знать структуру себестои-

мости каждого из сотен видов продукции, время выполнения посту-

пившего заказа, необходимые для выполнения заказа ресурсы, целесо-

образность обновления оборудования. Для выработки решений требо-

валась текущая информация о состоянии каждой единицы оборудова-

ния. Эта информация могла быть получена на уровне SCADA, где со-

бирались все данные о работе оборудования. Необходимость выжива-

ния предприятия в рыночной среде привела к появлению между уров-

нями диспетчеризации SCADA и планирования ресурсов MRP допол-

нительного уровня исполнения заданий MES (Manufacturing Execution

System), связывающего менеджеров верхнего уровня с текущим произ-

водством. Здесь информация от SCADA преобразуется в информацию

для MRP, ведется обновление базы данных, контролируется последо-

вательность операций, формируется расписание проверки и ремонта

оборудования в зависимости от продолжительности фактической экс-

плуатации. После анализа этой информации с позиции производст-

венной и конъюнктурной политики предприятия стратегические реше-

ния менеджера исполняются на низших уровнях. В 90-х годах прошло-

го века стали появляться программные комплексы, с помощью кото-

рых любой сотрудник может наблюдать за работой любой единицы

оборудования. К ним относятся комплексы Factory Suite (Промыш-

ленный набор) фирмы «Wonderware» (США) и Genesis (Возрождение)

фирмы «Iconics»(США). Так, набор Factory Suite объединяет уровни

MES, SCADA и Control.

1.5. РАЗВИТИЕ АВТОМАТИЗАЦИИ

Различают три ступени автоматизации:

– автоматизация рабочего цикла, создание автоматов и полуавто-

матов;

– автоматизация системы машин;

– компьютерно-интегрированное производство.

Любая машина состоит из двигательного, передаточного и испол-

нительного механизма. Двигательный механизм через передаточный

механизм приводит в действие исполнительный механизм, который

ведет непосредственную обработку, контроль или сборку изделия. При

этом кроме рабочих движений он совершает холостые движения, не-

обходимые для подготовки рабочих движений. Таким образом, время

рабочего цикла состоит из времени рабочих t

и холостых t

движений:

p x

T t t

= +

(1.12)

Если кроме рабочих движений машина автоматически выполняет

холостые движения во всех рабочих циклах, то она представляет собой

автомат. Машина с автоматическим рабочим циклом, для повторения

которого нужно вмешательство человека, называют полуавтоматом.

Систему автоматов, расположенных в порядке следования технологи-

ческих операций, называют автоматической линией.

Компьютерно-интегрированное производство обеспечивает авто-

матизацию всего производства – от поставки материалов до упаковки

готовой продукции. В нем решаются задачи автоматизированного про-

ектирования заказанной продукции, централизованного перепрограм-

мирования систем управления оборудованием, автоматической смены

инструментов, компьютерного планирования технологических мар-

шрутов.

На первом этапе развития техники автоматизации непрерывных и

дискретных производств применялись механические регуляторы и

толкатели, работа которых была наглядна для обслуживающего персо-

нала. Затем для непрерывных процессов стали использовать функцио-

нальные блоки на радиолампах, диодах и транзисторах, а для дискрет-

ных процессов – релейно-контактные переключательные системы. Та-

кие системы создавались под конкретные объекты управления. При

изменении объекта приходилось менять приспособленную для него

систему управления. Последним достижением в создании аппаратных

устройств автоматики были аналоговые и цифровые микросхемы, ко-

торые размещались на специализированных печатных платах.

В 70-х годах появились универсальные ЭВМ типов БЭСМ 6, СМ 2,

ЕС, М 6000 с программами управления объектом в режиме реального

времени. На таких ЭВМ до 80-х годов строили системы управления

сложными объектами, такими как атомная электростанция, металлур-

гическое производство, химический реактор. Центральный компьютер

собирал и обрабатывал сигналы датчиков, представлял информацию

диспетчеру, накапливал информацию о ходе процесса для расчета тех-

нико-экономических показателей и составления отчета (рис. 1.10).

Функции управления объектом поручались диспетчеру, хотя некото-

рые задачи управления решались простой автоматикой на реле и регу-

ляторах непрерывных величин.

Отчет

ЭВМ

Диспетчер

. . . . . .

Технологические процессы

Рис. 1.10. Централизованное управление производством

Появление микропроцессоров в начале 80-х годов привело к прин-

ципиальному пересмотру подхода к автоматизации производства. Соз-

данные под конкретный объект релейно-контактные системы управ-

ления и автоматические регуляторы стали заменять универсальными

устройствами с перепрограммируемыми под объект алгоритмами

управления. Переход от аппаратной к программируемой технике авто-

матизации заслуживает специального рассмотрения. В обоих случаях

на вход устройства автоматики подают сигналы X

, X

,…, X

с датчи-

ков на объекте управления (рис. 1.11). Устройство по заданному алго-

ритму вырабатывает команды управления объектом Y

, Y

,…., Y

Аппаратное устройство управления (рис. 1.11, а) выполнено путем

жесткого соединения элементов в соответствии с заданным алгорит-

мом управления. Элементы работают параллельно. При изменении

объекта или алгоритма управления приходится создавать новое уст-

ройство управления, поскольку пересоединение элементов требует

больших затрат. Это препятствует модернизации устройств управле-

ния и повышению уровня автоматизации.

Команды

Процес

сор

а б

Рис. 1.11. Устройства управления:

а – аппаратное; б – программное

Программируемое устройство управления (рис. 1.11, б) имеет уни-

версальную структуру, включающую микропроцессор, постоянную и

оперативную память, устройства ввода/вывода. Его привязку к конк-

ретному объекту автоматизации осуществляют путем записи соответ-

ствующего алгоритма управления в запоминающее устройство. При

изменении объекта или алгоритма управления просто перезаписывают

программу управления. Универсальные устройства управления выпус-

кают тысячами штук, что снижает их стоимость. Их функциональные

возможности при небольших размерах непрерывно расширяются, на-

дежность растет, а программное обеспечение все больше приспосабли-

вается к непрограммирующему пользователю.

Воплощением таких устройств являются программируемые логичес-

кие контроллеры (ПЛК). Программируемый логический контроллер

(PLC-Programmable Logic Controller) представляет собой программируе-

мое вычислительное устройство для сбора аналоговых и дискретных сиг-

налов, логического управления оборудованием и непрерывного регулиро-

вания параметров технологических процессов в реальном времени. Кон-

троллер встраивают непосредственно в оборудование. Его входы соеди-

няют с датчиками, а выходы – с исполнительными устройствами. Алго-

ритм управления записывают с помощью подключаемого программатора

или персонального компьютера со специальным программным обес-

печением. Для согласованного управления звеньями технологической

цепи контроллеры стали объединять в сеть (рис. 1.12).

...

Машина

ПЛК

Машина

Технологическая цепь

• • •

•

Рис. 1.12. Управление с помощью программируемых

контроллеров PLC

Одновременно развивались многопроцессорные распределенные

системы управления DCS (Distributed Control System). Система пред-

ставляет собой совокупность распределенных в пространстве вычис-

лительных средств, связанных через коммуникационную систему с

центральным устройством управления (рис. 1.13).

Устройство согласования

шин

Процесс Процесс

Шина системы

Шина устройств

Централизованное

устройство управления

Рис. 1.13. Структура распределенной системы управления

Она применяется для объектов с непрерывным технологическим

циклом: химических реакторов, атомных электростанций, металлурги-

ческих и пищевых производств. Текущая информация о процессе сте-

кается в центральное устройство управления, которое предоставляет ее

операторам и вырабатывает сигналы управления процессом.

Применение контроллеров расширялось от автономного управле-

ния «машина – контроллер» к управлению «технологическая цепь –

сеть контроллеров», в то время как распределенные системы управле-

ния развивались в противоположном направлении: от общей задачи

автоматизации производства – к уровню автоматизации отдельного

процесса. Если контроллеры создавались для дискретных процессов,

заменяя в машиностроении и других отраслях релейно-контактную

логику, то распределенные системы управления применялись для не-

прерывных процессов в химии и энергетике.

С целью расширения технологических приложений в контроллеры

вводили аналоговые входы и выходы, а в распределенные системы

управления – дискретные алгоритмы управления. К 1990 году кон-

троллеры стали соединять с шинами обмена информацией в стандар-

тах RS232 и MAP, к которым подключался персональный компьютер

для визуализации процессов на пульте диспетчера. С другой стороны,

распределенные системы управления имели шины обмена информаци-

ей с отображением процесса на экране компьютера. Расширение функ-

ций контроллеров вверх и развитие распределенных управляющих

систем вниз привели к их объединению. Контроллеры, связанные с

объектом, стали подключать к распределенным системам управления

в качестве низовых звеньев автоматики. Появились общие для обеих

систем операционные системы, работающие в реальном времени.

Новым направлением компьютерной автоматизации стало создание

промышленного компьютера и его применение для автоматизации

управления процессом. Это направление еще называют компьютерным

управлением (computer-based control). При компьютерном управлении

в отличие от традиционных приложений персональных компьютеров

применяют специальные методы, обеспечивающие надежное управле-

ние процессом в реальном времени.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Как различить дискретные и непрерывные производства?

2. Чем неорганизованная среда отличается от полностью определенной и

организованной?

3. В чем состоит принцип оценки сложности управления?

4. Опишите три способа регулирования в непрерывном производстве.

5. Как составить автоматные таблицы?

6. От чего зависит число строк и столбцов в автоматных таблицах?

7. Как записать алгоритм

управления

на языке секвенций?

8. Разделите задачи уровней автоматизации производства.

9. Для чего потребовался уровень MES?

10. Чем автомат отличается от полуавтомата?

11. В чем состоят преимущества программных устройств автоматики?

12. Опишите централизованную и распределенную структуры управле-

ния производством.

13. Как работает сеть контроллеров?

14. Чем PC-based control отличается от автоматизации с помощью PLC и

DCS?

Г Л А В А 2

Связь с объектом

2.1. ДАТЧИКИ

Датчики предназначены для преобразования физической величины

в электрический сигнал, который вводят в управляющее устройство

[3]. Датчик содержит чувствительный и преобразующий элементы, к

которым подводится напряжение питания U

(рис. 2.1). Напряжение

на выходе преобразователя U

вых

зависит от физической величины.

увствительный

элемент

Преобразующий

элемент

вы х

Физическая

величина

Рис. 2.1. Структура преобразователя физической

величины в электрический сигнал

вых

Выходной сигнал датчика может быть трех видов (рис. 2.2):

– аналоговый, пропорциональный физической величине;

– цифровой, при котором значения аналоговой величины преобра-

зуются в цифровую форму, например в цифровом приборе;

– бинарный, при котором каждому значению физической величины

соответствует комбинация нулей и единиц.

t t t

вых

а б в

Рис. 2.2. Форма выходного сигнала датчика:

а – аналоговый; б – цифровой; в – бинарный

Следует различать применение датчиков в задачах диспетчерского

контроля и автоматического управления процессом (рис. 2.3).