Сиротин Э.Е. Автоматизированные системы управления технологическими процессами. Конспект лекций

Подождите немного. Документ загружается.

обеспечивать напряжение +5В на контакте б сетевого соединения и ток не

менее 10 мА. В системе PROFIBUS каждый бит кодируется без возвращения

к нулю и передается дифференциальным напряжением. Во время периода

молчания незаземленная дифференциальная линия переводится оконечным

устройством в единицу. Она передает данные как символ-ориентированные.

Система FIP передает код и информацию таймера, кодируя их посредством

Manchester II. Скорости передачи данных определены равными 31,25 Кбит/с,

1 и 2,5 Мбит/с.

Другой стандарт протоколов fieldbus система FIP представляет собой

многопрофильную систему реального времени для управления процессами и

комплексных автоматизированных производств (CIM). При помощи широко-

полосного канала связи могут быть соединены до 256 станций, расположен-

ных на расстоянии до 2 км. Используются как витые пары, так и оптоволокно.

Скорость передачи данных лежит в пределах от 31,25 Кбит/с до 2,5 Мбит/с.

Связь не строится по принципу связи источника с приeмником. Адрес источ-

ника представляет собой имя точно идентифицированного объекта. Напри-

мер, измеряемая переменная процесса – это объект. Все технологические объ-

екты, подключенные к сети, знают и называют объект по его уникальному

имени. Арбитр сети посылает объект в предписанном порядке в организован-

ный список. Система FIP имеет главным образом периодический трафик.

Апериодические информационные сообщения типа событий передаются в

виде обмена запросами, сопровождающими циклическую передачу данных, с

апериодическим открытием окон апериодической передачи данных. FIP это

система fieldbus, функционирующая как распределeнная база данных реаль-

ного времени. Временная и пространственная непротиворечивость данных

гарантируется благодаря локальным считыванию и записи данных.

Система FIP является трехуровневой моделью с физическим уровнем,

уровнем передачи данных и уровнем приложений. Уровень передачи данных

отвечает за все функции управления в реальном времени, а именно: за выбор

в реальном времени циклов сканирования, подтверждение управления каче-

ством и передачи переменной, связность элементов распределенной базы,

синхронизированное квантование и управление, выбор множества диспетчер-

ских услуг без внесения помех в трафик реального времени и т.д.

Система FIP поддерживает как витую пару, так и оптоволоконные сред-

ства передачи. Арбитраж в FIP основан на назначении временного окна каж-

дому узлу для периодических данных и назначении окна по запросу для апе-

риодических.

Максимальное расстояние между узлами может составлять 2 км при 256

станциях в сети.

Система CAN представляет собой протокол последовательной связи,

эффективно поддерживающий распределенное управление в реальном време-

ни с очень высоким уровнем защиты. Система имеет широкий диапазон при-

менений: от высокоскоростных сетей до недорогого уплотненного монтажа.

Данный стандарт приобрел популярность в автомобильной электронике, где

различные подсистемы связываются между собой c помощью CAN при ско-

рости передачи 1 Мбит/с. Информация посылается по каналу в виде сообще-

ний фиксированного формата.

Узел CAN не использует какой-либо информации о конфигурации сис-

темы (адрес станции). Содержанию сообщения присваивается имя (иденти-

фикатор). Идентификатор не указывает на само сообщение, но описывает со-

держащуюся в нем информацию. Таким образом, все узлы сети могут решать,

фильтруя сообщения, должна ли обрабатываться на них эта информация или

нет.

Как следствие из концепции передачи сообщения, любое число узлов

может получать и одновременно отрабатывать одно и то же сообщение. Сле-

довательно, согласованность данных в системе достигается путем группового

использования данных и обработки ошибок. Всегда, когда канал свободен,

любой узел сети может начать передачу сообщения. Конфликты в системе

разрешаются с помощью поразрядного арбитража. Во время арбитража каж-

дый передатчик сравнивает уровень переданного бита с уровнем бита в кана-

ле. Когда посылается рецессивный уровень, а обнаруживается доминантный,

блок считается проигравшим арбитраж и должен быть отозван без посылки

бита.

Общее число блоков, которое может быть охвачено сетью CAN, огра-

ничено лишь временем задержки и электрической нагрузкой линии связи.

Система CAN имеет трехуровневую структуру: физический уровень,

уровень пересылки и объектный уровень. Уровень пересылки воспроизводит

сообщения, получаемые на объектном уровне, и принимает сообщения, кото-

рые следует передать на объектный уровень. Уровень пересылки ответствен

за битовое тактирование и синхронизацию, кадрирование сообщений, арбит-

раж и т.д. Объектный уровень занимается фильтрацией сообщений, а также

обработкой статуса и сообщений.

Ethernet — пакетная технология компьютерных сетей, преимуществен-

но локальных.

Стандарты Ethernet определяют проводные соединения и электрические

сигналы на физическом уровне, формат кадров и протоколы управления дос-

тупом к среде — на канальном уровне модели OSI. Ethernet в основном опи-

сывается стандартами IEEE группы 802.3. Ethernet стал самой распространѐн-

ной технологией ЛВС в середине 90-х годов прошлого века, вытеснив такие

устаревшие технологии, как Arcnet, FDDI и Token ring.

Технология Ethernet была разработана вместе со многими первыми про-

ектами корпорации Xerox PARC. Общепринято, что Ethernet был изобретѐн

22 мая 1973 года.

В стандарте первых версий (Ethernet v1.0 и Ethernet v2.0) указано, что в

качестве передающей среды используется коаксиальный кабель, в дальней-

шем появилась возможность использовать витую пару и оптический кабель.

Метод управления доступом в сетях Ethernet — множественный доступ

с контролем несущей и обнаружением коллизий (CSMA/CD, Carrier Sense

Multiple Access with Collision Detection), скорость передачи данных 10

Мбит/с, размер пакета от 72 до 1526 байт, описаны методы кодирования дан-

ных. Количество узлов в одном разделяемом сегменте сети ограничено пре-

дельным значением в 1024 рабочих станции (спецификации физического

уровня могут устанавливать более жѐсткие ограничения, например, к сегмен-

ту тонкого коаксиала может подключаться не более 30 рабочих станций, а к

сегменту толстого коаксиала — не более 100). Однако сеть, построенная на

одном разделяемом сегменте, становится неэффективной задолго до дости-

жения предельного значения количества узлов.

В 1995 году принят стандарт IEEE 802.3u Fast Ethernet со скоростью 100

Мбит/с, а позже был принят стандарт IEEE 802.3z Gigabit Ethernet со скоро-

стью 1000 Мбит/с. Появилась возможность работы в режиме полный дуплекс.

Существует несколько форматов Ethernet-кадра.

Первоначальный Version I (больше не применяется).

Ethernet Version 2 или Ethernet-кадр II, ещѐ называемый DIX (аббревиа-

тура первых букв фирм-разработчиков DEC, Intel, Xerox) — наиболее распро-

странена (рис 4.12). Часто используется непосредственно с протоколом сетей

интернет.

Рисунок 4.12. Наиболее распространенный формат фрейма Ethernet II.

В качестве дополнения Ethernet-кадр кадр может содержать тег IEEE

802.1Q для идентификации VLAN, к которой он адресован, и IEEE 802.1p для

указания приоритетности.

В зависимости от скорости передачи данных и передающей среды су-

ществует несколько вариантов технологии. Независимо от способа передачи

стек сетевого протокола и программы работают одинаково практически во

всех нижеперечисленных вариантах.

По некоторым причинам, в дополнение к основному стандарту многие

производители рекомендуют пользоваться другими запатентованными носи-

телями — например, для увеличения расстояния между точками сети исполь-

зуется оптоволоконный кабель.

Большинство Ethernet-карт и других устройств имеет поддержку не-

скольких скоростей передачи данных, используя автоопределение скорости и

дуплексности, для достижения наилучшего соединения между двумя устрой-

ствами. Если автоопределение не срабатывает, скорость подстраивается под

партнѐра, и включается режим полудуплексной передачи. Например, наличие

в устройстве порта Ethernet 10/100 говорит о том, что через него можно рабо-

тать по технологиям 10BASE-T и 100BASE-TX, а порт Ethernet 10/100/1000

— поддерживает стандарты 10BASE-T, 100BASE-TX и 1000BASE-T.

Xerox Ethernet — оригинальная технология, скорость 3Мбит/с, сущест-

вовала в двух вариантах Version 1 и Version 2, формат кадра последней вер-

сии до сих пор имеет широкое применение.

10BROAD36 — широкого распространения не получил. Один из пер-

вых стандартов, позволяющий работать на больших расстояниях. Использо-

вал технологию широкополосной модуляции, похожей на ту, что использует-

ся в кабельных модемах. В качестве среды передачи данных использовался

коаксиальный кабель.

1BASE5 — также известный, как StarLAN, стал первой модификацией

Ethernet-технологии, использующей витую пару. Работал на скорости 1

Мбит/с, но не нашѐл коммерческого применения.

10BASE5, IEEE 802.3 (называемый также «Толстый Ethernet») — пер-

воначальная разработка технологии со скоростью передачи данных 10

Мбит/с. Следуя раннему стандарту IEEE использует коаксиальный кабель с

волновым сопротивлением 50 Ом (RG-8), с максимальной длиной сегмента

500 метров.

10BASE2, IEEE 802.3a (называемый «Тонкий Ethernet») — используется

кабель RG-58, с максимальной длиной сегмента 200 метров, компьютеры

присоединялись один к другому, для подключения кабеля к сетевой карте

нужен T-коннектор, а на кабеле должен быть BNC-коннектор. Требуется на-

личие терминаторов на каждом конце. Многие годы этот стандарт был основ-

ным для технологии Ethernet.

StarLAN 10 — Первая разработка, использующая витую пару для пере-

дачи данных на скорости 10 Мбит/с. В дальнейшем эволюционировал в стан-

дарт 10BASE-T.

10BASE-T, IEEE 802.3i — для передачи данных используется 4 провода

кабеля витой пары (две скрученные пары) категории-3 или категории-5. Мак-

симальная длина сегмента 100 метров.

FOIRL — (акроним от англ. Fiber-optic inter-repeater link). Базовый

стандарт для технологии Ethernet, использующий для передачи данных опти-

ческий кабель. Максимальное расстояние передачи данных без повторителя 1

км.

10BASE-F, IEEE 802.3j — Основной термин для обозначения семейства

10 Mбит/с ethernet-стандартов, использующих оптоволоконный кабель на

расстоянии до 2 километров: 10BASE-FL, 10BASE-FB и 10BASE-FP. Из пере-

численного только 10BASE-FL получил широкое распространение.

10BASE-FL (Fiber Link) — Улучшенная версия стандарта FOIRL.

Улучшение коснулось увеличения длины сегмента до 2 км.

10BASE-FB (Fiber Backbone) — Сейчас неиспользуемый стандарт,

предназначался для объединения повторителей в магистраль.

10BASE-FP (Fiber Passive)- Топология «пассивная звезда», в которой не

нужны повторители — никогда не применялся.

100BASE-T — общий термин для обозначения стандартов, использую-

щих в качестве среды передачи данных витую пару. Длина сегмента до 100

метров. Включает в себя стандарты 100BASE-TX, 100BASE-T4 и 100BASE-

T2.

100BASE-TX, IEEE 802.3u — развитие стандарта 10BASE-T для ис-

пользования в сетях топологии "звезда". Задействована витая пара категории

5, фактически используются только две пары проводников.

100BASE-T4 — стандарт, использующий витую пару категории 3. За-

действованы все четыре пары проводников, передача данных идѐт в полудуп-

лексе. Практически не используется.

100BASE-T2 — стандарт, использующий витую пару категории 3. За-

действованы только две пары проводников. Поддерживается полный дуплекс,

когда сигналы распространяются в противоположных направления по каждой

паре. Скорость передачи в одном направлении — 50 Мбит/с. Практически не

используется.

100BASE-FX — стандарт, использующий многомодовое оптоволокно.

Максимальная длина сегмента 400 метров в полудуплексе (для гарантирован-

ного обнаружения коллизий) или 2 километра в полном дуплексе.

100BASE-LX — стандарт, использующий одномодовое оптоволокно.

Максимальная длина сегмента 15 километров в полном дуплексе на длине

волны 1310 нм.

100BASE-LX WDM — стандарт, использующий одномодовое оптово-

локно. Максимальная длина сегмента 15 километров в полнодуплексном ре-

жиме на длине волны 1310 нм и 1550 нм. Интерфейсы бывают двух видов,

отличаются длиной волны передатчика и маркируются либо цифрами (длина

волны) либо одной латинской буквой A(1310) или B(1550). В паре могут ра-

ботать только парные интерфейсы, с одной стороны передатчик на 1310 нм а

с другой на 1550 нм.

1000BASE-T, IEEE 802.3ab — стандарт, использующий витую пару ка-

тегорий 5e или 6. В передаче данных участвуют все 4 пары. Скорость переда-

чи данных — 250 Мбит/с по одной паре.

1000BASE-TX был создан Ассоциацией Телекоммуникационной Про-

мышленности (англ. Telecommunications Industry Association, TIA) и опубли-

кован в марте 2001 года как «Спецификация физического уровня дуплексного

Ethernet 1000 Мб/с (1000BASE-TX) симметричных кабельных систем катего-

рии 6 (ANSI/TIA/EIA-854-2001)» (англ. «A Full Duplex Ethernet Specification

for 1000 Mbis/s (1000BASE-TX) Operating Over Category 6 Balanced Twisted-

Pair Cabling (ANSI/TIA/EIA-854-2001)»). Стандарт, использует раздельную

приѐмо-передачу (2 пары на передачу, 2 пары на приѐм, по каждой паре дан-

ные передаются со скоростью 500 Мбит/с), что существенно упрощает конст-

рукцию приѐмопередающих устройств. Но, как следствие, для стабильной ра-

боты по такой технологии требуется кабельная система высокого качества,

поэтому 1000BASE-TX может использовать только кабель 6 категории. Ещѐ

одним существенным отличием 1000BASE-TX является отсутствие схемы

цифровой компенсации наводок и возвратных помех, в результате чего слож-

ность, уровень энергопотребления и цена процессоров становится ниже, чем у

процессоров стандарта 1000BASE-T. На основе данного стандарта практиче-

ски не было создано продуктов, хотя 1000BASE-TX использует более простой

протокол, чем стандарт 1000BASE-T, и поэтому может использовать более

простую электронику.

1000BASE-X — общий термин для обозначения стандартов со сменны-

ми приѐмопередатчиками GBIC или SFP.

1000BASE-SX, IEEE 802.3z — стандарт, использующий многомодовое

оптоволокно. Дальность прохождения сигнала без повторителя до 550 метров.

1000BASE-LX, IEEE 802.3z — стандарт, использующий многомодовое

оптоволокно. Дальность прохождения сигнала без повторителя до 550 метров,

при использовании одномодового оптоволокна — до 40 километров.

1000BASE-CX — стандарт для коротких расстояний (до 25 метров), ис-

пользующий экранированную витую пару (STP) с волновым сопротивлением

150 Ом. Заменѐн стандартом 1000BASE-T и сейчас не используется.

1000BASE-LH (Long Haul) — стандарт, использующий одномодовое

оптоволокно. Дальность прохождения сигнала без повторителя до 100 кило-

метров.

Новый стандарт 10 Гигабит Ethernet включает в себя семь стандартов

физической среды для LAN, MAN и WAN. В настоящее время он описывает-

ся поправкой IEEE 802.3ae и должен войти в следующую ревизию стандарта

IEEE 802.3.

10GBASE-CX4 — Технология 10 Гигабит Ethernet для коротких рас-

стояний (до 15 метров), используется медный кабель CX4 и коннекторы

InfiniBand.

10GBASE-SR — Технология 10 Гигабит Ethernet для коротких расстоя-

ний (до 26 или 82 метров, в зависимости от типа кабеля), используется мно-

гомодовое оптоволокно. Он также поддерживает расстояния до 300 метров с

использованием нового многомодового оптоволокна (2000 МГц/км).

10GBASE-LX4 — использует уплотнение по длине волны для поддерж-

ки расстояний от 240 до 300 метров по многомодовому оптоволокну. Также

поддерживает расстояния до 10 километров при использовании одномодового

оптоволокна.

10GBASE-LR и 10GBASE-ER — эти стандарты поддерживают расстоя-

ния до 10 и 40 километров соответственно.

10GBASE-SW, 10GBASE-LW и 10GBASE-EW — Эти стандарты ис-

пользуют физический интерфейс, совместимый по скорости и формату дан-

ных с интерфейсом OC-192 / STM-64 SONET/SDH. Они подобны стандартам

10GBASE-SR, 10GBASE-LR и 10GBASE-ER соответственно, так как исполь-

зуют те же самые типы кабелей и расстояния передачи.

10GBASE-T, IEEE 802.3an-2006 — принят в июне 2006 года после 4 лет

разработки. Использует экранированную витую пару. Расстояния — до 100

метров.

ЛЕКЦИЯ №4. МЕТОДЫ И ФУНКЦИИ УПРАВЛЕНИЯ

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ ПРОЦЕССАМИ

ОБЩИЕ СВОЙСТВА ОБЪЕКТОВ РЕГУЛИРОВАНИЯ

По характеру протекания технологических процессов объекты управле-

ния делятся на циклические, непрерывно-циклические и непрерывные.

По характеру установившегося значения выходной величины объекта

при действии на его вход ступенчатого сигнала выделяют объекты с самовы-

равниванием и без самовыравнивания.

По количеству входных и выходных величин и их взаимосвязи объекты

делятся не одномерные (один вход и один выход) и многомерные. Послед-

ние могут быть многосвязными - когда наблюдается взаимное влияние кана-

лов регулирования друг на друга, либо односвязные - взаимосвязь между ка-

налами которых мала.

Статические характеристики объекта управления устанавливают

связь между установившимися значениями входа и выхода объекта. По виду

статических характеристик объекты делятся на линейные и нелинейные. В

последних, статическая характеристика может быть гладкой, линеаризуемой

в окрестности заданной точки, либо носить существенно нелинейный ха-

рактер. При наличии в объекте нескольких нелинейностей, определяется его

суммарная нелинейная характеристика. Большинство систем регулирования

относиться к классу систем автоматической стабилизации режима работы

объекта относительно его рабочей точки (относительно номинального режи-

ма работы). В этом случае в процессе работы отклонения переменных, отно-

сительно рабочей точки будут малы, что позволяет использовать линейные

модели объекта управления. Однако при смене рабочей точки происходит из-

менение коэффициента усиления объекта, что будет негативно влиять на ди-

намику замкнутой системы.

Для системы автоматической стабилизации не обязательно определение

полной статической характеристики объекта. Достаточно знать лишь динами-

ческий коэффициент усиления в окрестности рабочей точки. В тоже время на

некоторых объектах управления необходимо знание всей статической харак-

теристики процесса. Если она носит нелинейный характер, то с целью стаби-

лизации общего коэффициента усиления системы, в замкнутый контур вклю-

чают дополнительную нелинейность, обратную статической характеристике

объекта.

Реальные объекты занимают в пространстве какой-либо объем, поэтому

регулируемая величина зависит не только от времени, но и от текущих коор-

динат точки измерения. Поэтому полное описание объекта управления будет

состоять из системы дифференциальных уравнений с частными производны-

ми.

Объекты могут быть как стационарные и так и нестационарные. В не-

стационарных объектах параметры изменяются с течением времени (дрейфу-

ют). Примерами таких объектов могут быть химический реактор с катализа-

тором, активность которого падает с течением времени, или аэрокосмический

аппарат, масса которого по мере выгорания топлива уменьшается. Такие яв-

ления должны учитываться при проектирование соответствующих систем

управления.

В зависимости от интенсивности случайных возмущений действующих

на объект, они делятся на стохастические и детерминированные. В реаль-

ных условиях часто точно неизвестны ни точка приложения возмущения F,

ни его характер.

ДИНАМИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ОБЪЕКТОВ УПРАВ-

ЛЕНИЯ

Спроектировать высококачественную систему управления объектом

можно лишь при наличии достаточно точной математической модели этого

объекта. Причем, согласно принципу Эшби, сложность управляющего уст-

ройства должна быть не ниже сложности объекта управления.

Поэтому основной целью построения математической модели объекта

управления является определение структуры объекта, его статических и ди-

намических характеристик. Особенно важно определение структуры для мно-

гомерных и многосвязных объектов управления. В тоже время для локальных

объектов управления определение структуры может быть сведено к опреде-

лению порядка дифференциального уравнения описывающего объект.

Аналитической моделью объекта в системе автоматического управле-

ния является дифференциальное уравнение порядка "n" в совокупности с на-

чальными и граничными условиями

()

( , ', ", ''',..., , , ) 0

F y y y y y x t 

где y(t) - выходной параметр системы; x(t) - входной сигнал в системе; t - время

процесса; у(0),у'(0),у"(0)... - начальные условия системы.

Решением дифференциального уравнения является функция y(t), описы-

вающая процесс в системе, происходящий при поступлении на ее вход сигнала

x(t). График функции y(t) является графиком переходного процесса в

системе и

описывает поведение системы в динамике.

В общем случае дифференциальное уравнение системы может быть не-

линейным, что представляет большие трудности для анализа и синтеза системы.

В ряде случаев допустимо упрощение уравнения путем его линеаризации. В ре-

зультате линеаризации описания системы получают обыкновенное линейное

дифференциальное уравнение порядка "n"

0 1 0 1

... ( ) ... ( ),

n n m m

d y d y d x d x

c c c y t b b b x t

dt dt dt dt



      

которое обычно записывается в операторном виде

0 1 0 1

( ... ) ( ) ( ... ) ( ),

n n m m

c p c p c y t b p b p b x t



      

где



– оператор дифференцирования, m<n.

Система, описываемая обыкновенным линейным дифференциальным

уравнением, называется обыкновенной линейной системой. К обыкновенному

линейному дифференциальному уравнению с нулевыми начальными условиями

можно применить преобразование Лапласа, в результате чего оно преобразуется

в алгебраическое уравнение

0 1 0 1

( ... ) ( ) ( ... ) ( ),

n n m m

c p c p c Y p b p b p b X p



      

где Y(p) = L{y(t)}, X(p) = L{x(t)} – изображения Лапласа для выходного и

входного сигналов (оригиналов) системы,





– комплексный аргумент

функции - изображения.

Полученное алгебраическое уравнение может быть решено относительно

изображения выходного сигнала системы:

...

()

( ) ( ) ( ).

... ( )

b p b p b

Y p X p X p

c p c p c C p



  



  

Выражение

...

( ) ( )

()

... ( ) ( )

b p b p b

B p Y p

c p c p c C p X p



  

  

  

учитывает динамические свойства описываемой системы (поскольку опре-

деляется ее дифференциальным уравнением) и называется передаточной

функцией системы. Передаточная функция системы равна отношению изобра-

жений Лапласа для выходного и входного сигналов системы. Передаточная

функция может рассматриваться как алгебраический коэффициент, на который

необходимо умножить изображение для входного сигнала системы, чтобы полу-

чить изображение для ее выходного сигнала:

( ) ( ) ( )Y p W p X p

Передаточная функция непосредственно связана с дифференциальным

уравнением системы и от нее легко перейти к дифференциальному уравнению

системы в операторной записи:

0 1 0 1

( ) ( ) ( ) ( ), ( ) ... , ( ) ... ,

n n m m

C p y t B p x t C p c p c p c B p b p b p b



        



– оператор дифференцирования.

Если описываемая система автоматического управления находится в

статике, то все производные входного и выходного сигналов равны нулю и диф-

ференциальное уравнение системы сведется к алгебраическому уравнению сле-

дующего вида:

c y b x

или

y x Kx



где К – статический коэффициент усиления системы.. Полученное уравне-

ние описывает статическую характеристику системы. Передаточная функция

системы для статического режима может быть получена, если в ее выражении

принять р=0, тогда

W(p) = W(0) = K .

Если в качестве входного сигнала рассматривать единичный ступенчатый

сигнал, описываемый единичной ступенчатой функцией:

0, 0 1

( ) 1( ) , ( ) {1( )} ,

1, 0

x t t X p L t





   







то процесс в системе в области изображений Лапласа опишется выра-

жением

( ) ( )

( ) ( ) ( ) , ( ) ( )

W p W p

Y p W p X p y t L w t dt





   







т.е. будет полностью определяться собственными динамическими свойствами

системы, поскольку передаточная функция отображает эти свойства. Такой