Пьявченко Т.А., Финаев В.И. Автоматизированные информационно-управляющие системы

Подождите немного. Документ загружается.

171

⎧⎫

⎛⎞

⎧⎫

⎛⎞

⎪⎪⎪ ⎪⎪ ⎪

⎜⎟

⎨⎬⎨ ⎬⎨ ⎬

⎜⎟

⎪⎪

⎝⎠

⎪⎪

⎩⎭

⎪⎪

⎝⎠

⎩⎭

ЦАП

макс

u2 2 2

uдоп

U5 5

N=Elog +1=Е lo

+1 =Е lo

+1 =8

23 σ 230,006

ЦАП должен иметь не менее 8-и разрядов.

7. Рассчитываем коэффициент пересчета ЦАП:

прс2

k = = 0,0196 B.

2-1

8. Коэффициент пересчета от входа АЦП до выхода ЦАП

прс

пр1

пр2

=6,69 В/м.

При этом коэффициент передачи по петле замкнутого контура К

прс

будет безразмерной величиной.

9. Определяем погрешность вычисления управляющего

воздействия.

9.1. Расчет начнем с трансформированной погрешности, пользуясь

формулами (98), (102) и (103).

()

⎛⎞

⎡⎤

⎜⎟

⎢⎥

⎜⎟

⎣⎦

⎝⎠

⎛⎞

⎜⎟

⎝⎠

∑

дат

диф

222222

i-k i-k+1

тр ε рег у прс

i=1

i-k+1 и 0

2 22

6,5Т

Fu ,ε

σ = σ = К ++ σ (1 + ρ )k =

ε 2ТТ

10 6,5× 50

= 0,8835 + + 0,005 (1 + 0,09)(6,69) = 0,0208В

2× 600 10

Как видим, трансформированная погрешность существенно

превышает допустимую. Для её уменьшения увеличим разрядность

ЦАП до двенадцати с тем, чтобы уменьшить коэффициент пересчета,

который теперь будет равен:

прс прс1 прс2

2-1 5

k = k k = = 0,42B/м

12 2 -1

При этом

тр

σ = 0,00008076В , что также превышает допустимое

значение, поскольку σ

тр

=0,009 В.

Как отмечалось ранее, чтобы еще уменьшить трансформированную

погрешность, введем экспоненциальное сглаживание с η=5. В

результате получим:

тр

0,00008076

σ = = 0,00001615В

или σ

тр

=0,004 В.

172

9.2. Чтобы рассчитать погрешность метода интегрирования, как

следует из формулы (106), необходимо иметь максимальное значение

второй производной

d ε(t)

на интервале (i-1)T

≤t≤iT

Найти его можно, выполнив моделирование в стандартный пакет

Simulink системы MatLab. Как и предполагалось, величина

d ε(t)

очень мала (5×10

-7

), поэтому методической погрешностью

интегриования и дифференцирования можно пренебречь.

9.3. Для оценки инструментальной погрешности выбираем

разрядность АЛУ, как рекомендуется выше, равной 16, рассчитываем

величину младшего разряда процессора как

АЛУ АЦП

-4 -4

уупрс

Δ =2 Δ k = 2 × 0,00293× 6,69 = 0,001225 B

и количество округлений m=m

сгл

ПИД

, где m

сгл

=3 - количество

округлений при вычислении сглаженного значения yc

, m

ПИД

=17 -

количество округлений при вычислении кода управляющего

воздействия по ПИД-закону.

Следовательно, m=20 и полная инструментальная погрешность

вычислителя составит

АЛУ

22 2

окр

Δ 0,001225

σ =mσ = m = 20 = 0,00204B

12 12

что не позволит обеспечить заданную допустимую погрешность

вычислений

доп

σ = 0,000036B . Поэтому необходимо либо выбрать

микроконтроллер с 32-мя разрядами, либо рассчитывать на 16-и

разрядном микроконтроллере, но с удвоенной точностью. На величине

быстродействия это не скажется, поскольку заданное время

дискретности T

=10 c.

Приведенные расчеты показали, что выбор технических средств

существенно зависит от величин погрешностей вычислений, в

частности, погрешности округления (инструментальной) и

трансформированной.

Закончить пример можно выбором конкретных модулей для

построения цифрового устройства управления, скажем фирмы

Advantech:

173

а) модуль аналогового ввода ADAM-4012 с параметрами: 16-

разрядный АЦП, Программная настройка для работы с мВ, В или мА,

гальваническая изоляция 500В, один цифровой вход/счетчик событий,

два цифровых выхода/аварии по верхней и нижней границам

измеряемого входа;

б) модуль аналогового вывода ADAM-4021 с параметрами: 12-

разрядный ЦАП, программная настройка выхода на

В или мА,

контроль состояния выхода, программируемая скорость изменения

сигнала на выходе: от 0,125 до 128,0 мА/с или от 0,0625 до 64 В/с,

гальваническая изоляция 500 В;

в) IBM PC совместимый программируемый микроконтроллер

ADAM-5510: процессор: 80188, 16-разрядный, память ОЗУ: 256 кбайт,

флэш-ПЗУ: 256 кбайт, операционная система: ROM-DOS, часы

реального времени встроенные, сторожевой таймер встроенный,

количество обслуживаемых модулей ввода-вывода:

до 4; два

последовательных порта: RS-232 и RS-485; напряжение изоляции 3000

В.

В заключение ещё раз обратим внимание разработчиков АСУТП на

необходимость тщательного подхода к оценке погрешностей

вычислений, поскольку с ней связан выбор технических средств,

удовлетворяющих комплексному критерию. Этот критерий должен

обеспечивать требуемые точность и быстродействие при минимальной

стоимости используемого оборудования.

3.7. Средства реализации управляющих воздействий

Устройства вывода управляющих сигналов разделяются на

аналоговые и дискретные. К первым относятся цифро-аналоговые

преобразователи ЦАП, о расчете и выборе которых говорилось выше.

Основная функция устройств вывода дискретных управляющих

сигналов – функция ключа, которую могут выполнять маломощные

регистровые выходы, релейные выходы, транзисторные и тиристорные

ключи. Применение того или иного типа переключающего устройства

определяется мощностью исполнительного блока, для управления

которым оно предназначено. Например, регистровые выходы могут

использоваться для включения сигнализации в специализированных

пультах и мнемосхемах, релейные выходы, имеющие полную

гальваническую развязку от электрических цепей контроллера, – для

174

управления пуском, остановом технологических агрегатов,

транзисторные и тиристорные ключи – для управления ИМ различной

мощности.

На рис. 41 представлена структурная схема управления мотором М

с помощью ключей.

Рис. 41

С целью осуществления реверса используются две пары ключей:

управление прямым ходом мотора выполняется парой Кл 1, Кл 4,

обратным – Кл 2, Кл 3. Широтно-импульсные модуляторы ШИМ 1 и

ШИМ 2 преобразуют код управления во времяимпульсный сигнал

положительной и отрицательной полярности соответственно.

Широтно-импульсная модуляция – вид импульсной модуляции, при

которой изменяется длительность (ширина) импульсов под действием

модулирующего

сигнала (в данном случае кода управления). При этом

частота следования импульсов остается постоянной. Драйверы 1 и 2

служат для согласования и управления ключами.

Для управления электрическим ИМ, работающим с постоянной

скоростью в рабочем диапазоне D

max

-y

min

со временем его пробега

ИМ

, также используется времяимпульсный сигнал. Различие

заключается в том [9], что в схеме управления используются два

выходных ключа: «Больше», «Меньше», и код длительности

временного интервала

прс рег i

t=k K ε

(113)

175

подается на один из них в зависимости от знака ε

Коэффициент пересчета из формата кода АЦП в код временного

интервала в выражении (113) вычисляется как

АЦП

им

прс

T(2 -1)

. (1114)

При этом шаг дискретности по времени (шаг квантования временного

интервала

t ) определяется [61] временем полного хода ИМ Т

им

величиной его зоны нечувствительности δ в %:

≤0,10δТ

им

В случае необходимости можно организовать управление

несколькими ИМ постоянной скорости от одного микроконтроллера

[61]. Например, при 32-х разрядном микроконтроллере таких ИМ

будет 16. На рис. 42 показан принцип возможной реализации

управления группой ИМ постоянной скорости [61].

Счетчик на

вычитание

Выходной порт

Дешифратор

нуля

Ключи

...

к ИМ

Запуск/Останов Сброс

...

В схему прерывания

Сигналы управления

Рис. 42

С этой цель создается дополнительная программа, формирующая

код управления ключами

C и код интервала управления

t=mint

Исполнительные механизмы, имеющие отличный от нуля код

t ,

подключаются на время

t к ключу «Больше» или «Меньше» в

176

зависимости от знака ошибки ε

. Значения кодов

t уменьшаются на

величину

t .

После получении сигнала об отработке исполнительными

механизмами кода интервала управления операции по формированию

нового значения

t , нового кода управления ключами С и коррекции

кодов

t повторяются до полного завершения работы, когда все коды

t станут нулевыми.

Следует заметить, что в данном разделе были охвачены далеко не

все способы управления, используемые на локальном уровне. Более

обширное и детальное описание для них можно найти в специальной

литературе по теории автоматического управления.

177

4. ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ СХЕМЫ АВТОМАТИЗАЦИИ

4.1. Общие сведения

Задачи автоматизации решаются эффективно, если они

прорабатываются в процессе изучения технологического процесса.

Нередко выявляется необходимость изменения технологических схем в

целях приспособления их к требованиям автоматизации,

установленным на основании технико-экономического анализа [75].

Техническим документом, определяющим блочно-функциональную

структуру систем контроля и управления, показывающим

расположение приборов на оборудовании, щитах управления и в

операторских помещениях является функциональная схема.

При разработке функциональных схем автоматизации

технологических процессов решаются следующие задачи:

- получение первичной информации о состоянии технологического

процесса и оборудования;

- непосредственное воздействие на технологический процесс для

управления им;

- стабилизация технологических параметров процесса;

- контроль и регистрация технологических параметров процессов и

состояния технологического оборудования.

Для решения задач привлекаются специалисты: технологи,

инженеры контрольно-измерительных приборов и автоматики

(КИПиА), разработчики АСУТП. Каждый из перечисленных

специалистов заполняют таблицы, материал которых позволяет

составлять подробные функциональные схемы автоматизации и

использовать SCADA-системы для проектирования и управления ТП.

4.2. Требования к оформлению функциональных схем

Функциональная схема (ФС) выполняется в виде чертежа, на

котором схематически условными изображениями показывают [75]:

технологическое оборудование; коммуникации; органы управления;

средства автоматизации с указанием связей с технологическим

оборудованием. Для ТП с большим объемом автоматизации

выполняют отдельно схемы автоматического контроля, управления,

178

сигнализации и т.д. В нижней части чертежа изображаются в виде

прямоугольников щиты и пульты управления, в которых показываются

устанавливаемые средства автоматизации. Если используется

микропроцессорная и вычислительная техника, то вместо поля

"Приборы на щите управления", или дополнительно к нему, дается

полоса "Комплекс технических средств операторских помещений".

На свободном поле чертежа допускается давать краткую

технологическую характеристику автоматизируемого объекта,

поясняющие таблицы, диаграммы и т.п. На линиях связи от датчиков

называют предельные рабочие (максимальные или минимальные)

значения измеряемых или регулируемых технологических параметров

при установившихся режимах работы. Если приборы для измерения

или регулирования встроены в технологическое оборудование, то

предельные значения технологических параметров указывают под или

вблизи позиционного обозначения прибора.

Контуры технологического оборудования, трубопроводные

коммуникации, прямоугольники, изображающие щиты, пульты, КТС

ОП выполняют линиями толщиной 0,6-1,5 мм, линии связи - толщиной

0,2-0,3 мм, приборы и средства автоматизации - линиями толщиной

0,5-0,6 мм. При необходимости указания точного места точки

измерения (внутри контура технологического аппарата) в конце тонкой

линии изображается окружность диаметром 2 мм.

4.3. Изображение технологического оборудования и

коммуникаций

Технологическое оборудование (ТО) и коммуникации на

функциональных схемах изображаются упрощенно, но так, чтобы дать

ясное представление о принципах работы и взаимодействии со

средствами автоматизации (см. рис. 4.3).

Технологические коммуникации и трубопроводы жидкостей и газов

имеют условные цифровые обозначения. Иногда к цифре добавляют

буквы, условные обозначения проставляются на расстоянии не менее

50мм (ГОСТ 2.784-70), например [75], для воды -1-1 (-1ч-чистая вода),

пара -2-2 (-2п-перегретый пар, -2н-насыщенный пар), воздуха -3-3,

горючего: жидкого -15-15, газообразного такого, как ацетилен -17-17,

пропан -22-22.

179

мм 50≥

Барабан

Рис. 43

Если используются дополнительные цифры, не предусмотренные

ГОСТом, то на ФС должны быть нанесены пояснения принятых

условных обозначений. На элементах ТО и трубопроводов даются

необходимые поясняющие надписи, стрелками отмечается

направление потоков. На функциональных схемах условными

изображениями показывают:

- технологическое оборудование (в упрощенном виде, не нарушая

принципа работы) с указаниями взаимодействий со средствами

автоматизации;

- коммуникации совместно с регулирующими органами и запорной

аппаратуры;

- средства автоматизации с указанием связи с технологическим

оборудованием.

Изображения некоторых средств измерения и автоматизации в

соответствии с ГОСТом представлены в табл. 7.

При сложных схемах

создают отдельно функциональную схему

контроля и функциональную схему управления.

4.4. Буквенные условные обозначения приборов и средств

в автоматизации (ГОСТ 21.404-85)

На первой позиции обозначения приборов располагают заглавные

буквы наименования измеряемого или регулируемого параметра, а

именно:

- D – плотность, разность или перепад;

Таблица 7

Наименование Изображение

180

По месту (на технологическом оборудовании)

Основное

∅

Допускаемое

Вторичный прибор на щите управления

Первичный

измерительный

преобразователь

Основное

Допускаемое

Пневматические

Положение РО при

прекращении

управляющего сигнала

не регламентируется

С прекращением

управляющего сигнала РО

будет закрыт

С прекращением

управляющего сигнала

РО будет

открыт

С прекращением

управляющего сигнала РО

остается в неизменном

положении

Электрический исполнительный механизм

Исполнительные

механизмы

- Е – любая электрическая величина;

- F – расход, соотношение, доля, дробь;