Структура и основные функции УВМ.

Управляющие устройства могут быть построены на дискретных элементах или выполнены в виде УВМ. Будем считать, что управляющее устройство выполнено на дискретных элементах, если в нём функции управления реализуются без применения процессоров. И напротив, если основные логические и арифметические операции, необходимые для осуществления процесса управления, реализуются с помощью микропроцессорных конструкций, то такое управляющее устройство является УВМ. Современная управляющая вычислительная машина – это управляющее устройство, построенное на базе микро-ЭВМ и их комплексов.

Управляющие устройства на дискретных элементах, такие как магнитные пускатели и аналоговые системы управления электроприводами, применяются в АСУТП на нижних уровнях управления, а на верхних уровнях применяются исключительно УВМ (см.рис.1.1). Тем не менее, многие функции УВМ, связанные с вводом, выводом, отображением и преобразованием информации, реализуются на дискретных элементах, не входящих в микропроцессорные комплекты, таких как клавиатура, дисплей, магнитные запоминающие диски и дискеты, аналого-цифровые и цифроаналоговые преобразователи и др.

Структура УВМ в составе АСУТП представлена на рис.1.2.

Рис.1.2. Структура УВМ в составе АСУТП.

Конструктивно УВМ выполняется в виде пульта управления (ПУ) и процессорного (системного) блока (ПБ). На рис.1.2 показано, что УВМ управляет технологическим объектом (ТО) с параметрами Y посредством управляющих сигналов X. Пульт управления является основой рабочего места оператора, осуществляющего контроль работы АСУТП. Через ПУ поступает исходная информация в виде управляющих программ (УП), считываемых с магнитных дисков и дискет внешнего запоминающего устройства (ВЗУ).

С помощью клавиатуры ПУ оператор может составлять и корректировать управляющие программы и контролировать ход управляемого технологического процесса, а дисплей ПУ представляет оператору визуальную информацию о ходе ТП и содержании УП. С помощью принтера производится распечатка отчётно-справочной информации о выполнении производственных заданий. Обмен информацией в УВМ осуществляется через стандартные устройства вывода-вывода (УВВ). Они состоят из параллельного и последовательного интерфейсов (портов), причём для связи внутри ПБ обычно используется параллельный интерфейс. Через последовательный интерфейс реализуется связь с отдалёнными корреспондентами, прежде всего с ЦУВМ, если она есть.

Информация, поступающая в ПБ с пульта управления или непосредственно от ЦУВМ через УВВ, запоминается в устройствах памяти – запоминающих устройствах (ЗУ), состоящих из постоянного (ПЗУ) и оперативного (ОЗУ) запоминающих устройств. В ПЗУ содержится операционная система УВМ, инструментальное программное обеспечение для создания УП, сами УП и общие сведения об управляемом технологическом объекте. В ОЗУ хранятся управляющие программы, находящиеся в работе, и текущая информация о ходе реализуемого технологического процесса, состоянии технологического оборудования и самой УВМ.

Основным устройством, осуществляющим переработку поступающей информации в УВМ и выдачу управляющих сигналов, является центральный процессор (ЦП), состоящий из арифметико-логического (АЛУ) и управляющего (УУ) устройств. АЛУ осуществляет арифметическую и логическую обработку информации с выработкой управляющих сигналов, а УУ определяет, какие арифметико-логические операции и в каком порядке должно реализовывать АЛУ в соответствии с заданной программой. Специфическими устройствами, отличающими УВМ от обычных ЭВМ, являются устройства связи с объектом (УСО) и модули обработки технологической информации (МОТИ).

УСО – это модули прямой связи управления. Они преобразуют приходящие с процессора управляющие сигналы, чтобы согласовать их с входными цепями ТО, в то время как МОТИ преобразуют приходящие с ТО сигналы обратной связи (сигналы Y) о параметрах ТО. Если рассматриваемая на рис.1.2 УВМ является для данного ТО центральной, то она управляет входящими в состав ТО локальными УВМ. В таком случае и УСО, и МОТИ, показанные на рис.1.2, состоят из стандартных УВВ, объединяющих все УВМ данной АСУТП в информационную и управляющую локальную сеть. Если же рассматривать УВМ, показанную на рис.1.2, как локальную, то УСО должны обеспечивать согласование управляющих сигналов УВМ с входными цепями различных дискретных цифровых и непрерывных (аналоговых) управляющих устройств нижнего уровня управления, на котором обычно производится управление электроприводами (см.рис.1.1).

Основные функции модулей УСО в составе ЛУВМ:

• усиление управляющих сигналов с соответствующим преобразованием их по уровню и виду;

• преобразование кодов цифровых управляющих сигналов (параллельного кода в последовательный и др.);

• цифроаналоговое преобразование сигналов перед подачей их на аналоговые управляющие устройства;

• потенциальное разделение цепей управления.

В ЛУВМ МОТИ должны совершить обратное преобразование сигналов обратной связи, идущих от управляющих устройств нижнего управления и от технологического оборудования, к виду, приемлемому для системы сигналов, циркулирующих в УВМ.

МОТИ производят:

• согласование уровней дискретных сигналов обратной связи и УВМ;

• аналого-цифровое преобразование аналоговых сигналов обратной связи, поступающих от аналоговых управляющих устройств и исполнительных механизмов;

• преобразование кодов цифровых сигналов обратной связи (последовательного в параллельный и др.);

• потенциальное разделение цепей управления.

В качестве примеров преобразования выходных сигналов УВМ приведём преобразование дискретного управляющего сигнала уровня до 5 В и до 5 мА тока (но предназначенного для включения контактора переменного тока) в переменное напряжение 110 В с током до 2 А, а также преобразование цифрового сигнала, предназначенного для управления электроприводом, в стандартное задающее напряжение в пределах 0 …. 10 В. Примером преобразования сигналов обратной связи может служить преобразование сигналов конечных выключателей, переключающих постоянное напряжение 24 В в стандартный сигнал УВМ напряжением до 5 В. Таким же примером может быть счёт импульсов датчиков перемещения, в результате которого перемещение фиксируется в УВМ в виде числа отсчитанных импульсов.

Устройства УСО и МОТИ выполняются в виде модульных конструкций, объединяющих в себе несколько каналов однотипных преобразователей, таких как преобразователи уровней, аналого-цифровые преобразователи и др. При необходимости такие устройства строятся на базе микропроцессоров, например, модули управления сервоприводами.

Приложение 1

Основные понятия и термины автоматизации технологических процессов

Автоматизация технологических процессов заключается в том, что функции контроля и управления, ранее выполнявшиеся человеком, передаются автоматическим управляющим устройствам и контрольно-измерительной аппаратуре. Управляющие устройства, получая информацию по каналам обратной связи о ходе техпроцесса, формируют управляющие сигналы, обеспечивающие функционирование технологического объекта в оптимальном рабочем режиме.

Алгоритм функционирования – это математически обоснованное описание зависимости между управляющими (входными) и управляемыми (выходными) параметрами ТО; если он реализован в виде компьютерной программы, то называется моделью ТО.

Алгоритмы управления определяют порядок подачи управляющих воздействий на исполнительные устройства АСУТП. Различают алгоритмы:

• стабилизации параметров техпроцесса при различных возмущениях;

• программного управления технологическим циклом;

• автоматической оптимизации техпроцесса в ходе выполнения производственного задания.

Аналитические методы моделирования базируются на знании законов природы, определяющих функционирование ТО. Аналитическая модель представляет ТО в виде совокупности динамических звеньев.

Арифметико-логическое устройство – это комбинационная часть последовательстного автомата, предназначенная для выполнения заданных арифметических и логических операций. Простейшие автоматы выполняют только логические операции.

Арифметический двоичный код – это позиционный весовой код, лежащий в основе двоичной системы исчисления. Вес разряда в нём равен 2ⁿ, где n – номер разряда.

Асинхронное управление – способ управления, при котором входные сигналы считываются, а выходные сигналы формируются в произвольные моменты времени по мере поступления входных сигналов.

АСУТП – это совокупность аппаратных средств и их программного обеспечения, предназначенных для управления сложным ТО. АСУТП обеспечивает оптимальный уровень автоматизации сбора, накопления и переработки информации о техпроцессе и формирование таких управляющих воздействий на исполнительные устройства, что работа ТО происходит в оптимальном режиме.

Бит – двоичная единица информации, эталоном которой является информация, получаемая из опыта с двумя равновероятными исходами. Битом называют также минимальный объём записи информации на электронных или магнитных носителях, соответствующий двоичной единице или двоичному нулю.

Внутреннее состояние автомата – состояние элементов ЗУ в его составе.

Гибкая производственная система – наиболее сложный и разветвлённый вид СПУ, решающий помимо задач АСУТП задачи САПР, АСТПП и текущего планирования. Состоит ГПС из ЦУВМ и гибких производственных модулей (ГПМ).

Гонка импульсов – это эффект неодновременного формирования выходных сигналов в ответ на одновременное изменение входных сигналов. Гонка импульсов приводит к кратковременному появлению ложных сигналов на выходах управляющего устройства при асинхронном формировании управляющих сигналов.

Градиентные методы применяются, если выражение целевой функции или (и) уравнения ограничений техпроцесса является нелинейными. Сущность градиентных методов заключается в том, что на каждом шаге оптимизации приращения управляющих параметров техпроцесса выбираются пропорциональными частным производным целевой функции по этим параметрам:

,

где – значение i -го параметра на (j+1) -м шаге оптимизации;

– значение того же параметра на j -м шаге оптимизации;

– коэффициент, определяющий величину шага на j -м шаге оптимизации, называемый также просто шагом;

– частная производная целевой функции F_ц по i -му параметру x_i, соответствующая j -му шагу оптимизации;

n – число оптимизируемых параметров техпроцесса.

Признаком достижения оптимального режима является равенство нулю всех значений .

Двоичный код – любой код, в котором используются только два символа, обозначенные 0 и 1.

Декомпозиция алгоритма – это расчленение алгоритма функционирования на отдельные математически однородные элементы, называемые типовыми звеньями. Модель объекта строится в виде совокупности типовых звеньев.

Динамическая оптимизация – это поиск оптимального режима во время выполнения технологическим объектом заданной производственной программы. При этом шагом оптимизации называют каждую очередную попытку изменения параметров в направлении оптимального режима.

Динамическое звено описывает элемент, в котором происходит однократное преобразование энергии, дифференциальным уравнением первого или второго порядка.

Единичный сигнал – сигнал высокого уровня потенциала, или замыкание контакта, или намагниченный участок магнитного носителя информации.

Иерархическая структура АСУТП обусловлена тем, что АСУТП реализует централизованное управление с помощью ЦУВМ. Однако ЦУВМ управляет измерительными устройствами не непосредственно, а через ЛУВМ, каждая из которых отвечает за определённый участок техпроцесса (см. рис.1.1).

Интерфейс – это совокупность правил обмена информацией между двумя соседними уровнями управления, а также совокупность проводов и иных технических средств, обеспечивающих такой обмен информацией. В настоящее время в АСУТП применяют почти исключительно стандартные интерфейсы. Совокупность программ, устройств и проводов, которые обеспечивают обмен информацией в АСУТП в целом, называют промышленной информационной сетью.

Информация – это процесс формирования, пересылки и регистрации сообщений, а также зарегистрированная совокупность сообщений.

Информационное обеспечение – это единая система технологической, технико-экономи-ческой и справочной информации, обеспечивающая нормальное функционирование АСУТП.

Исполнительные устройства УЧПУ подразделяются на устройства с числовым управлением, обеспечивающим лишь включение и отключение исполнительных механизмов; с позиционным управлением, обеспечивающим позиционирование, т.е. вывод исполнительного механизма в заданную точку и фиксацию его в этой точке; с контурным управлением, обеспечивающим перемещение исполнительных механизмов по произвольным траекториям с заданной точностью обработки траектории (это наиболее сложные исполнительные устройства).

Коды Грея – двоичные коды, служащие для обозначения чисел, причём обозначения соседних чисел различаются лишь одним кодовым символом.

Комбинационные схемы управления (комбинационные автоматы) – отдельные узлы управляющего устройства, выходные сигналы которых зависят только от комбинации входных сигналов, поступивших в текущем такте управления.

Круговая интерполяция – задание и отработка перемещения рабочих органов по окружности. Помимо координат начала и конца программируемой дуги при круговой интерполяции задают также координаты центра окружности, часть которой составляет данная дуга.

Линейная интерполяция – задание и отработка перемещения рабочих органов по прямой между заданными опорными точками.

Линейное программирование – это совокупность методов определения параметров оптимального режима в условиях, когда целевая функция и уравнения ограничений, действующих в управляемом техпроцессе, линейны.

Логическая (булева) функцияY логических переменных X₁, X₂, …, X_n – это выражение , полученное путём выполнения над логическими переменными операций инверсии, дизъюнкции и конъюнкции. Логические функции являются алгоритмами управления комбинационных и последовательностных автоматов.

Логические элементы – это микросхемы малой степени интеграции, реализующие простейшие логические функции.

Локальные сети АСУТП обычно построены по схеме ведущий-ведомый и употребляют интерфейс RS485 (см. рис.2.4).

Локальные СПУ – это ПЛК и УЧПУ, управляющие отдельными ГПМ.

Метод Квайна-Мак-Класки – это регулярная процедура упрощения выражений логических функций путём выполнения над ними операций склеивания и поглощения, применяемая для автоматизации составления схем управления.

Метод последовательно-параллельных соединений при составлении релейно-контакт-ных схем управления заключается в следующем:

• логическая инверсия (функция НЕ) реализуется размыкающим контактом реле, а логическое повторение – замыкающим контактом;

• логическое умножение (функция И) реализуется последовательным соединением контактов реле;

• логическое сложение (функция ИЛИ) реализуется параллельным соединением контактов реле.

Для дополнительного упрощения релейно-контактных схем применяются скобочные формы логических функций и мостиковые структуры схемных решений.

Многосвязная (многомерная) модель описывает сложный ТО с несколькими входами и выходами и с перекрёстными связями между отдельными каналами.

Нулевой сигнал – сигнал низкого уровня потенциала, или размыкание контакта, или ненамагниченный участок магнитного носителя информации.

Одномерная модель (канал) соответствует элементу ТО с одним входом и одним выходом.

Основная задача линейного программирования (см. вопрос 4.3.2):

найти максимум функции F_ц = cx

Основные функции локальных СПУ: централизованный контроль; регулирование техпроцесса, в том числе следящее управление перемещениями; программно-логическое управление технологическим циклом; ввод и отображение информации, включая УП; обмен информацией; диагностика СПУ и основного оборудования.

Параллельная передача информации – обмен информацией в виде двоичных кодовых комбинаций фиксированной длины, называемых словами.

Полнофакторный эксперимент представляет собой цикл из 2^m экспериментов, где m – число факторов, каждый из которых принимает в эксперименте либо максимальное, либо минимальное значение в заданном интервале. Остальные факторы, влияющие на поведение ТО, при этом поддерживаются неизменными.

Последовательная передача информации – обмен информацией побитно, когда биты слова пересылаются один за другим, начиная, например, с младшего бита.

Последовательный автомат – управляющее устройство, обеспечивающее управление технологическим циклом. Такие автоматы обеспечивают управление последовательностью тактов работы ТО, причём выполнение отдельных тактов обычно связано с использованием информации, полученной по каналам обратной связи при выполнении предыдущих тактов.

Предельно допустимый оптимальный режим (предельное регулирование) – это оптимальный режим, который реализуется в одной из граничных точек области допустимых значений параметров техпроцесса, когда нужный экстремум целевой функции не может быть достигнут из-за имеющихся технологических ограничений. Типичным примером предельного регулирования является линейное программирование.

Преобразователь кода – комбинационная схема, преобразующая двоичный код входных сигналов в заданный код её выходных сигналов. В качестве примера приведём преобразователь кода Грея в двоичный арифметический код (см. вопрос 5.4). Преобразователь кода, преобразующий двоичный входной сигнал в единичный код на его выходах, называется дешифратором (см. рис.5.17).

Программируемый логический контроллер – выпускаемое серийно управляющее устройство, построенное на базе микро-ЭВМ и предназначенное преимущественно для управления технологическим циклом. ПЛК имеет модульную конструкцию.

Программное обеспечение в АСУТП подразделяется на системное (операционные системы и системы управления базами данных), инструментальное (системы автоматизированного проектирования и разработки УП) и прикладное (совокупность УП).

Процедура симплексного метода основана на следующих положениях:

• совокупность точек в n -мерном пространстве E_n, ограниченная приведёнными ранее условиями, образует область решений поставленной задачи; каждую точку x = (x₁, x₂, …, x_n) из указанной области принято называть допустимым планом; точка, в которой достигается искомый экстремум заданной целевой функции, называется оптимальным планом;

• в пространстве E_n область допустимых решений существует в виде многогранника решений, причём оптимальная точка (оптимальный план) является одной из вершин многогранника решений; любые m линейно независимых векторов a_j (j = 1, 2, …, m, m ≤ n), удовлетворяющих системе уравнений (4.8), порождают точку x = (b₁, b₂, …, b_m, 0, …, 0), являющуюся вершиной многогранника решений и называемую угловой точкой, или опорным планом;

• оптимальная точка (оптимальный план) является одной из угловых, поэтому при оптимизации симплексным методом переходят от одной угловой точки к другой таким образом, что при каждом переходе значение целевой функции обязательно увеличивается (при поиске максимума целевой функции) или обязательно уменьшается (при поиске минимума).

Регистр – электронное устройство памяти, состоящее из группы триггеров, объединённых общим управлением, и предназначенное для записи, хранения и выдачи информации. По своему основному назначению регистры подразделяются на регистры сдвига, регистры хранения и счётные регистры (см. рис.5.14 … 5.16).

Регрессия выходного параметра у на входной параметр х – это любая функция f(x), приближённо представляющая вероятностную зависимость y от x.

Синхронное управление – способ управления, при котором считывание входных и выдача сформированных выходных сигналов производится в определённые моменты времени, называемые временем обмена информацией. В остальное время, называемое временем счёта (когда формируются новые выходные сигналы), считывание входных сигналов и выдача выходных сигналов не производятся. Синхронный и асинхронный способы управления сочетаются с помощью операций прерывания, когда прерывается рутинное течение синхронного процесса управления.

Синхронный триггер отличается от асинхронного триггера наличием тактового входа С (см. рис.5.10, 5.11), так что изменение состояния синхронного триггера возможно только после поступления синхронизирующего импульса на вход С. Синхронными триггерами являются наиболее важные виды триггера: D -триггер, Т -триггер и JK -триггер (см. рис.5.12, 5.13).

Система программного управления – это АСУТП, которая обеспечивает управление ТО по заранее подготовленной и введённой в УВМ на специальном программоносителе программе, в том числе программе управления технологическим циклом.

Статическая оптимизация предполагает, что параметры оптимального функционирования техпроцесса определяются до его начала.

Сумматор – комбинационная схема, предназначенная для сложения и вычитания (в дополнительном коде) двух чисел, представленных в двоичной системе исчисления (см. рис.5.18, 5.19).

Схема алгоритма управления технологическим циклом состоит из прямоугольников и ромбов. Прямоугольники служат для отображения арифметических операций и операций с памятью, а ромбы служат для задания логических условий. Графические элементы схемы алгоритма соединяют стрелками, указывающими точную последовательность выполняемых операций (см. рис.5.20, 5.21).

Счётчики (счётные регистры) отличаются тем, что помимо функций записи, хранения и выдачи информации они выполняют функцию счёта поступающих на них импульсов.

Таблица истинности – таблица соответствия входных и выходных сигналов комбинационной схемы управления. По таблицам истинности получают выражения логических функций схем управления.

Технологический цикл представляет собой циклически повторяющуюся последовательность сменяющих друг друга технологических операций. Для удобства описания технологический цикл разделяют на такты.

Триггер – элемент электронного ЗУ, характеризующийся двумя устойчивыми состояниями. С точки зрения теории информации, это двоичный элемент памяти, способный запомнить либо единичный, либо нулевой сигнал, поступающий на его вход. Триггер – это стандартная ячейка ОЗУ, предназначенная для хранения информации объёмом не более 1 бит.

УВМ – это совокупность управляющих устройств АСУТП, выполненных на базе микропроцессорной техники и составляющих конструктивное целое.

Удвоение шага – увеличение или уменьшение в 2 раза значения k_j без расчёта новых значений с целью ускорения поиска оптимального режима и избежания рысканья.

УСО – устройства связи с объектом, входящие в состав УВМ, через которые управляющие сигналы УВМ поступают на управляемый ТО. Иногда в состав УСО включают также устройства обратной связи, через которые информация о параметрах ТО передаётся на УВМ. Наличие УСО является главным отличием УВМ от обычных микро-ЭВМ, решающих число вычислительные задачи.

Устройство формирования состояний автомата задаёт операции, которые должно произвести АЛУ в текущем рабочем такте. Функционирование УФС зависит как от сигналов, формируемых в АЛУ (сигналов обратной связи), так и от содержимого кадра УП (см. рис.5.8). В простейших автоматах управление от внешней УП не предусмотрено.

УЧПУ – комплектная система числового программного управления, построенная на базе компьютера. В УЧПУ величины перемещения рабочих органов и другие параметры техпроцесса задаются в числовой форме.

Целевая функция – это строго сформулированная зависимость между параметрами техпроцесса и критерием его оптимальности.

Циклограмма строится в виде таблицы, в строках которой перечислены все командные и исполнительные элементы ТО, а столбцы соответствуют тактам его технологического цикла (см. рис.3.1).

Эквидистанта – траектория перемещения инструмента, заданная с учётом его габаритных размеров.

Этапы разработки АСУТП: разработка технического задания; выполнение технического проекта; создание рабочего проекта; процесс внедрения в производство.

Языки символического кодирования ПЛК строятся в соответствии со стандартом IEC 61131-3 и включают в себя: язык «лестничных диаграмм» LD, или язык PKC; язык набора инструкций IL, или язык булевых логических формул, и ещё три более сложных языка кодирования.

ISO-7 – стандартизированный на международном уровне язык программирования УЧПУ. В коде ISO-7 программа строится в виде последовательности кадров, каждый кадр состоит из последовательности слов. Первый символ каждого слова – латинская буква, а остальные символы являются арабскими цифрами.