Пономарев О.П. Информационные технологии

Подождите немного. Документ загружается.

ИНСТИТУТ

«КАЛИНИНГРАДСКАЯ ВЫСШАЯ ШКОЛА УПРАВЛЕНИЯ»

ИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

Учебно-методическое пособие

Утверждено Учебно-методическим советом института в качестве

учебно-методического пособия по специальности «Автоматизированные

системы обработки информации и управления»

Калининград

2004

УДК 681.5

ББК 32.965

И74

Автор-составитель:

О.П.ПОНОМАРЕВ – кандидат технических наук, проректор по научной

работе Института КВШУ

Рецензенты:

доктор физико-математических наук, профессор В.С.Гречишкин;

ст. преподаватель кафедры телекоммуникаций

Калининградского государственного университета Т.А.Карпинская

И74

Информационные технологии: Учебно-методическое

пособие / Авт.- сост.: О.П.Пономарев; Институт КВШУ.–

Калининград: Изд-во ин-та КВШУ, 2004.– 122 с.

ISBN не присвоен. Внутренне издание Института КВШУ.

В настоящем издании раскрыты общие сведения об автоматизированных

системах управления технологическими процессами, архитектура

программируемого логического контролера ISaGRAF. Наряду с теоретическим

материалом издание содержит примеры создания проектов и практикум

прошивки контролера SMART-2.

Издание предназначено для студентов образовательных программ

специальности 2202 «Автоматизированные системы обработки информации и

управления» при изучении дисциплины «Информационные технологии».

УДК 681.5

ББК 32.965

ISBN не присвоен. Внутреннее издание

института КВШУ

Учебное издание

ИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

Учебно-методическое пособие

Автор-составитель:

ПОНОМАРЕВ Олег Павлович

Редактор и корректор А.В.Самаркин

Электронный набор и вёрстка О.О.Чиликина

Изд. лиц. код 221, серия ИД, № 1269 от 20.03.00. Подписано в печать 15.04.04.

Бумага писчая 80 г/м

. Формат 60х90/16. Гарнитура «Таймс». Печать ризография.

Усл. печ. л. 7.7. Уч.-изд. л. 3.5. Тираж 50 экз. Заказ № 83.

Институт «Калининградская высшая школа управления»

ул. Литовский вал, д. 38, г. Калининград, 236016

Отпечатано в типографии

института «Калининградская высшая школа управления»

ул. Литовский вал, д. 38, г. Калининград, 236016

ИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

- 1 -

ВВЕДЕНИЕ.

Автоматизация процессов производства во многом определяет его

эффективность и рентабельность. Дальнейшее развитие отраслей

промышленности требует создания автоматизированного

оборудования, автоматизированных линий и технологических

процессов. Решение этих задач возможно на основе широкого

применения микропроцессорной и микроконтроллерной техники,

электронных вычислительных машин. На современном этапе развития

средств вычислительной техники микроконтроллер представляет

собой достаточно мощный и быстродействующий

«интеллектуальный» элемент, как правило, имеющий достаточно

высокую производительность, значительные объемы встроенной

памяти программ и оперативной памяти, достаточно мощное

вычислительное ядро с системой команд, ориентированной на

решение задач управления и контроля. Многие современные

микроконтроллеры имеют развитую встроенную цифровую и

аналоговую архитектуру, аналого-цифровые и цифро-аналоговые

преобразователи, мультиплексоры, масштабирующие усилители,

набор быстродействующих последовательных интерфейсов и другие

узлы [1].

Используемые в системах автоматизации контроллеры должны

быть достаточно многофункциональными и универсальными по

структуре, должны обеспечивать работу в составе современных

специализированных локальных сетей, содержащих ЭВМ в качестве

главного управляющего элемента. Фактически, современные системы

автоматизации, построенные на базе специализированных локальных

сетей, объединяющих несколько универсальных контроллеров,

являются рассредоточенным локальным интерфейсом персонального

компьютера, объединяющем в себе измерительные, контрольные и

управляющие функции.

Специализированные локальные сети, используемые в системах

автоматизации, имеют ряд специфических особенностей, связанных с

необходимостью обеспечения требуемого алгоритма

функционирования, высокой надежности и производительности,

низкой стоимости, простоты установки, наладки и обслуживания.

Для решения указанных задач требуется высокая квалификация

специалистов в области автоматизации производства. Одним из этапов

ИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

- 2 -

автоматизации является алгоритмизация процессов контроля и

управления, разработка программного обеспечения программируемых

логических контроллеров.

Данное учебное пособие раскрывает содержание тем «Системы

малой автоматизации», «Программное обеспечение

автоматизированных систем управления технологическими

процессами», входящих в курс лекционных занятий дисциплины

«Информационные технологии». Учебное пособие посвящено

вопросам составления блок-схем алгоритмов работы объектов

контроля и управления, разработки программного обеспечения

программируемых логических контроллеров SMART-2 фирмы PEP

Modular Computers (Германия) на основе языков программирования

SFC и ST инструментальной системы ISaGRAF-3.32 компании CJ

International (Франция) [2], отвечающих требованиям международного

стандарта IEC 61131-3. Одним из разделов является описание

программно – аппаратной платформы контроллера SMART-2 и

особенностей его эксплуатации в системах автоматизации.

1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О СИСТЕМАХ АВТОМАТИЗАЦИИ И

АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ СИСТЕМАХ УПРАВЛЕНИЯ.

Термин «автоматизация» (от греческого «automatos») означает

«самодействующий». Автоматизация производства – процесс в

развитии машинного производства, при котором функции управления

и контроля, ранее выполнявшиеся человеком, передаются приборам и

автоматическим устройствам.

Измерительные приборы и автоматические устройства

обеспечивают оптимальное протекание технологического процесса,

недоступное ручному управлению. Исходя из системного подхода,

автоматизацию производства предприятия подразделяют на четыре

уровня (рис.1.1) [3].

Автоматизированная система управления технологическим

процессом (АСУ ТП) представляет собой организационно-

техническую систему управления технологическим процессом в целом

в соответствии с принятым критерием управления, в которой для

сбора и обработки информации используется вычислительная техника.

Роль человека в АСУ ТП сводится к содержательному участию в

ИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

- 3 -

выработке решений там, где задачи принятия решений не могут быть

полностью формализованы.

Критерий управления – это экономический или технический

показатель производства. Например, в качестве критерия управления

может быть принята производительность или себестоимость

производства продукта при заданном его качестве, либо характерные

показатели технологического процесса.

Рис.1.1. Уровни автоматизации производства предприятия

В соответствии с существующей терминологией автоматические

системы управления являются высшей ступенью развития АСУ ТП, на

которой человек полностью выведен из процесса непосредственного

управления.

Комплекс технических средств АСУ ТП включает средства

локального контроля, сигнализации и регулирования, которые могут

функционировать автономно. Локальные системы автоматизации,

входящие в состав АСУ ТП, представляют собой комплекс устройств

автоматики, автономно реализующих функцию управления частью

технологического процесса или контроля за ним.

АСУ ТП предназначена для выработки и осуществления

управляющих воздействий на технологический объект управления,

представляющий собой совокупность технологического

оборудования, на котором по установленным регламентам

Автоматизация производственно-хозяйственной

деятельности предприятия

Автоматизация технологических агрегатов и машин

Автоматизация технологических участков

Автоматизация технологических процессов в целом

Автоматизация производства

4-й уровень

3-й уровень

2-й уровень

1-й уровень

ИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

- 4 -

осуществляется технологический процесс производства. К

технологическим объектам управления относятся технологические

аппараты, агрегаты и установки, участки, цехи и технологические

комплексы.

По уровню, занимаемому АСУ ТП в организационно-

производственной структуре предприятия, различают АСУ ТП:

нижнего уровня, верхнего уровня, многоуровневые. АСУ ТП нижнего

уровня управляют технологическими агрегатами, установками,

участками; АСУ ТП верхнего уровня (централизованные) – группами

технологических установок, участками, производствами и не

включают в себя АСУ ТП нижнего уровня; многоуровневые АСУ ТП

управляют теми же технологическими объектами управления, что и

АСУ ТП верхнего уровня, но включают в себя АСУ ТП нижнего

уровня.

Состав задач, решаемых вычислительными средствами, определяет

перечень подсистем АСУ ТП, выполняющих следующие функции:

− централизованный контроль технологических параметров;

− анализ производственной ситуации, расчет и выдача

рекомендаций оператору;

− непосредственное управление технологическими агрегатами и

участками;

− расчет и выдача значений уставок (заданий) регуляторам

локальных систем автоматизации;

− расчет и прогнозирование технико-экономических показателей.

Системами малой автоматизации называются малые

распределенные системы управления и контроля, реализованные на

основе специализированных малых и средних локальных сетей,

ориентированные на работу в режиме реального времени. Эти системы

широко используются для автоматизации небольших

технологических, измерительных, исследовательских систем.

Развитие сетевых технологий и создание новых типов систем малой

автоматизации способствуют их быстрому развитию. Наиболее часто в

современных системах малой автоматизации используются т.н.

командно-информационные сети. Эти сети характеризуются тем, что

имеют в своем составе только один персональный компьютер (ПК)

или мощный специализированный контроллер, оснащенный полным

комплектом периферийного оборудования, и некоторое количество

ИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

- 5 -

универсальных или специализированных контроллеров – станций.

Сеть работает по принципу опроса. Компьютер является инициатором

обменов информации в сети, т.е. «ведущим» узлом. Он передает всем

станциям фрейм команды, содержащий, в том числе, и адрес одной из

станций. Все станции пассивны, т.е. работают в режиме «ведомого».

Они не имеют права инициализировать обмены в сети (за

исключением аварийных ситуаций). Станции принимают,

анализируют фрейм команды, но только одна из них, адрес которой

совпал с адресом фрейма, выполняет предписанные командным

фреймом действия и либо сообщает компьютеру о выполнении

команды, либо передает в него полученные данные. Таким образом,

полный цикл обмена состоит из команды и ответной информации.

Типовая структура современных систем малой автоматизации,

построенная с использованием командно-информационной сети,

показана на рис.1.2 [4].

Рис.1.2. Типовая структура системы малой автоматизации

Единственный в системе малой автоматизации ПК (PC) выполняет

роль генератора заданий и получателя информации. Только он имеет

право инициировать обмен информации по сети. Кроме того, PC

получает всю предварительно обработанную информацию от N

…

DPS

X1.1

X1.2

X2.1

X2.2

XN.1

XN.2

ТМ

ИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

- 6 -

периферийных станций S1, S2,…,SN, которые не имеют права

самостоятельного доступа к сети. Они только имеют право отвечать на

поступившую команду. Исключением может быть аварийная ситуация

на станции (станциях) или обслуживаемой подсистеме объекта

контроля или управления. Станции между собой соединяются с

помощью кабелей с разъемами (обычно типа DB9) через параллельно

соединенные пары разъемов X1, X2,…,XN на каждой из станций S1,

S2,…,SN. Каждая станция в сети имеет индивидуальный номер,

устанавливаемый на модификаторах (переключателях или

перемычках) или записанный в энергонезависимой Flash-памяти

микроконтроллера. Соединение PC может производиться к одной из

станций непосредственно или через специальный узел диспетчера ПК

(DPS) в зависимости от используемого количества станций N,

необходимости преобразования физических интерфейсов (выходного

интерфейса ПК в интерфейс сети) и оптической развязки. Кабельная

часть сети TM называется сетевой средой. В каждой станции имеется

узел, согласующий интерфейс микроконтроллера станции (обычно

универсальный приемопередатчик асинхронного последовательного

интерфейса UART) с сетевой средой. Обычно он называется

диспетчером станции DS.

Условно структуру системы малой автоматизации можно разделить

на два уровня. Первый верхний уровень - уровень организации

командно-информационной сети. Второй уровень – уровень

организации станций, в качестве которых используются

универсальные логические контроллеры.

Тенденциями развития систем автоматизации производства и

научных исследований являются: децентрализация, минимальная

стоимость, простота установки и эксплуатации, максимальная

эффективность [4].

2. СОСТАВЛЕНИЕ ПАРАМЕТРИЧЕСКИХ СХЕМ И БЛОК-

СХЕМ АЛГОРИТМОВ РАБОТЫ ОБЪЕКТОВ КОНТРОЛЯ И

УПРАВЛЕНИЯ.

Технологическим объектом управления называется совокупность

технических средств (агрегаты, машины, механизмы, аппараты),

которая нуждается в организации специально организованных

ИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

- 7 -

воздействий для достижения желаемых результатов

функционирования.

Эффективное управление процессами и технологическими

объектами возможно в том случае, когда основные закономерности

объекта (процесса) представлены в виде математического описания

(математической модели объекта). Одним из видов предварительного

математического описания объекта (процесса) является

параметрическая схема объекта (обобщенная информационная

модель). В общем случае параметрическая схема отражает состав и

взаимосвязи основных параметров и воздействий, определяющих

текущее состояние объекта управления. Эти параметры могут быть

разделены на четыре группы (рис.2.1):

1. Входные контролируемые параметры

),...,(

1 n

xx ,

характеризующие качество и количество исходных продуктов, данные

лабораторных исследований, результаты химического анализа,

показания средств измерений и т.д.;

2. Входные неконтролируемые параметры

),...,(

1 k

ff -

возмущающие воздействия, характеризующие изменение окружающей

среды, влияние случайных примесей в исходном сырье, изменение его

физико-химических свойств, влияние износа и старения оборудования,

наводки и шумы по каналам контроля и управления и т.д.;

3. Управляемые выходные параметры

),...,(

1 m

yy ,

характеризующие обобщенные технико-экономические показатели,

которыми оценивают качество и экономическую эффективность

работы объекта управления;

4. Управляющие воздействия

),...,(

1 i

UU , при помощи которых

поддерживается заданный технологический режим процесса

(изменение показаний приборов, изменение уставок (заданий)

регуляторов, положения регулирующих органов, воздействия на

исполнительный механизм и др.).

Объект

(технологический

процесс)

. . .