Моделирование технологических циклов.

Технологические процессы имеют циклический характер и обычно представляют собой последовательность сменяющих друг друга технологических операций. Описание технологических циклов является неотъемлемой частью моделирования технологических объектов и основой формирования управляющих программ АСУТП.

Для удобства описания технологический цикл разделяется на такты, или состояния. Каждый такт охватывает промежуток времени, в течение которого управляющие параметры, характеризующие состояние командных (кнопки, переключатели, контакторы) и исполнительных (приводы, муфты) органов, остаются неизменными. Затем производится анализ переходов от одного такта к другому как при нормальном ходе техпроцесса, так и при различного рода отклонениях и в аварийных ситуациях. По результатам анализа составляется формализованное описание (модель) технологического цикла с применением таблиц, циклограмм, граф-схем, логических формул и др.

Различают две разновидности моделей технологических циклов: комбинационные и последовательностные. Состояние выходов комбинационных моделей определяется исключительно текущей комбинацией входных сигналов и не зависят от такта, в котором наблюдается данная комбинация, а состояние выходов последовательностных моделей зависит также от комбинаций входных и выходных сигналов, имевших место в предыдущих тактах технологического цикла.

В течение технологического цикла переход от такта к такту осуществляется путём включения и отключения отдельных узлов, модулей и элементов технологического объекта. Включенное состояние обычно обозначают единицей (1), а отключенное – нулём (0). В качестве комбинационных моделей чаще всего используют таблицы истинности, в которых отмечают значения выходных параметров, соответствующие всем возможным комбинациям входных параметров технологического объекта.

Если имеется n входных (управляющих) параметров, каждый из которых может принимать значение либо 0, либо 1, то они могут составить 2ⁿ различных комбинаций, некоторые из которых на практике не могут быть реализованы при нормальной работе оборудования. Например, не могут быть сформированы сигналы о том, кабина лифта находится сразу на нескольких этажах. В таблице истинности должны быть представлены только реализуемые комбинации входных сигналов, соответствующие предусмотренным режимам работы ТО. Остальные комбинации рассматриваются на этапе проектирования системы управления ТО.

В качестве примера рассмотрим таблицу истинности датчика положения, работающего в циклическом коде Грея (см.табл.2.1). Такой датчик может фиксировать до 16 положений, которые в табл.2.1 имеют номера от 0 до 15. Если каждому положению соответствуют какие-либо операции системы управления, управляющей механизмом, которому принадлежит данный датчик, то можно считать, что алгоритм функционирования механизма состоит из 16 тактов. В таком случае таблица истинности рассматриваемого датчика охватывала бы все 16 позиций табл.2.1 в её верхней части, задающей код Грея. Переход от такта к такту здесь задаётся последовательной сменой комбинаций сигналов датчика, т.е. потенциалов на его выходных клеммах, по мере перемещения механизма.

В другом случае, когда нужно фиксировать только шесть каких-либо положений, можно было бы применить другой датчик, работающий в таком же коде Грея, но с использованием только первых шести кодовых комбинаций (0…5). Этот код тоже был бы циклическим, но охватывал бы шесть кодовых комбинаций из возможных 16. Остальные кодовые комбинации не вошли бы в состав таблицы истинности, но могли бы быть использованы при проектировании системы управления механизмом, положение которого контролируется рассматриваемым датчиком, например, для организации контроля чётности (см. вопрос 2.5).

Итак, комбинационные модели отличаются тем, что каждой предусмотренной комбинации входных сигналов соответствует один и тот же выходной сигнал. У последовательностных же моделей одной и той же комбинации входных сигналов могут соответствовать различные выходные сигналы в зависимости от последовательности комбинаций входных и выходных сигналов, предшествовавшей данной комбинации. Предыстория текущего состояния ТО фиксируется с помощью особых запоминающих устройств, которые при моделировании приобретают вид промежуточных переменных, часть которых может совпадать с выходными сигналами.

Простые последовательстные модели составляются в виде циклограмм или граф-схем. Циклограмма строится в виде таблицы, в строках которой перечислены все командные и исполнительные элементы ТО, а столбцы соответствуют тактам его рабочего цикла. Включенное состояние элемента показывают сплошной линией в соответствующей строке, а вертикальными линиями показывают команды на включение и отключение исполнительных устройств в соответствующих тактах циклограммы. В качестве примера рассмотрим циклограмму работы грузового подъёмника (рис.3.1).

Рис.3.1. Циклограмма работы грузового подъёмника.

Грузовой подъёмник включается кнопкой SB при условии, что на нём помещён условный груз (нажат конечный выключатель SQ3) и выключен контактор RV2 (взаимная блокировка контакторов). Нажатие кнопки и отпускание кнопки SB составляет такт 1 циклограммы, что приводит к включению контактора RV1, а через него – к включению привода подъёмника на подъём, что приводит, в свою очередь, в отключению нижнего конечного выключателя SQ2 (такт 2). Отключение SQ2 не приводит к отключению привода, подъём продолжается, пока подъёмник не достигнет крайнего верхнего положения, в котором включается конечный выключатель SQ1 (такт 3).

Включение SQ1 приводит к отключению контактора RV1 и остановке привода (такт 4). После снятия груза с подъёмника освобождается конечный выключатель SQ3, что приводит к включению контактора КМ2 (такт 5), который включает привод подъёмника на движение вниз. С началом движения вниз освобождается конечный выключатель SQ1, фиксировавший крайнее верхнее положение подъёмника (такт 6). Движение вниз продолжается до тех пор, пока не будет нажат нижний выключатель SQ2 (такт 7), который отключает контактор КМ2, а с ним и привод подъёмника (такт 8). На подъёмник устанавливается новый груз, что фиксируется нажатием конечного выключателя SQ3 (такт 9). На этом цикл функционирования подъёмника завершается.

Представление технологического цикла в виде графа начинается с перечисления всех возможных состояний технологического объекта, которые обозначаются кружками, в каждом из которых проставлен номер или код состояния. Эти кружки являются вершинами конструируемого графа. Вершины соединяются стрелками, указывающими направление возможных переходов от одного состояния к другому. Над стрелками надписывают значения управляющих сигналов, комбинации которых обеспечивают переходы, указанные стрелками.

Рассмотрим составление графа (рис.3.2), отображающего работу подъёмника, циклограмма которого представлена на рис.3.1.

Как видно из рис.3.2, граф имеет три вершины, обозначенные в двоичном коде:

00 – неподвижное состояние (КМ1 = 0 и КМ2 = 0);

01 – движение вверх (КМ1 = 1, КМ2 = 0);

10 – движение вниз (КМ1 = 0, КМ2 = 1).

Рис.3.2. Граф-схема функционирования грузового подъёмника.

Пуск вверх путём включения контактора КМ1 начинается, если нажата кнопка SB, выключен контактор КМ2 и нажат конечный выключатель SQ3, сигнализирующий о наличии груза. Движение вверх продолжается независимо от сохранения перечисленных пусковых условий, но движение вниз при этом блокируется, как видно на граф-схеме (КМ2 = 0), пока идёт движение вверх. Движение вверх прекращается после нажатия выключателя SQ1, сигнализирующего о достижении подъёмником заданного верхнего положения. Движение вниз начинается при включении контактора КМ2, после отключения контактора КМ1 и снятия груза с подъёмника (SQ3 = 0). Оно прекращается только после достижения заданного нижнего положения по сигналу SQ2 = 1.

Более сложные последовательностные модели требуют составления таблиц состояний, которые будут рассмотрены далее при изучении методов синтеза алгоритмов управления. Наиболее сложные модели получаются при учёте действия случайных факторов, прежде всего - отказов оборудования (стохастические модели).