ГЛАВА 1. ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ
1.1. Автоматизация технологических процессов. История. Основные подходы
Автоматизация представляет собой наиболее эффективный способ увеличения производительности труда и повышения качества выпускаемой продукции.
Как правило, соблюдение норм технологических процессов требует длительного поддерживания заданных значений требуемых производственных параметров либо их изменения по времени в соответствии с требуемой закономерностью. Поскольку из-за различного рода случайных внешних воздействий на объект управления технологические параметры могут существенно отклоняться от требуемых величин, то оператору, управляющему производственным процессом, следует оказывать такое воздействие на объект управления, чтобы величины всех регулируемых технологических параметров содержались в допустимых пределах. Этот процесс называют управлением объектом.
Те или иные управленческие функции оператора могут осуществляться при помощи автоматических устройств. Их воздействие их на управляемых объект производится по команде оператора, следящего за величинами технологических параметров. Такой вид управления называют автоматизированным.
Для полного исключения оператора из управленческого процесса, систему необходимо сделать замкнутой, в которой система управления должна сама отслеживать отклонения регулируемых параметров и вырабатывать соответствующие управляющие воздействия на управляемый объект. Такую замкнутую систему управления называют системой автоматического регулирования (САР).
Впервые самые простые автоматические системы, предназначенные для регулировки требуемых технологических параметров (уровни жидкостей, величина давления пара, скорости вращения вала и др.) были изобретены во 2 половине XVIII в. Это было связано с возникновением и совершенствованием паровых машин. Разработка таких автоматических регулирующих устройств происходила интуитивно и осуществлялась отдельными изобретателями. Совершенствование и развитие таких средств для автоматизации технологических процессов потребовалась разработка единых методов расчета, по которым можно было бы проектировать любые автоматические регуляторы. Поэтому во 2 половине XIX в. была построена теория автоматического регулирования, в основу которой были положены математические методы. Такими рабоиами стали труды Д. К. Максвелла "О регуляторах" (1866г.) и И.А. Вышнеградского "Об общей теории регуляторов" (1876г.), "О регуляторах прямого действия" (1876г.). В них как регулятор, так и сам и объект регулирования рассмотрены в виде единой динамической системы. С тех пор теория автоматического регулирования как техническая дисциплина продолжает развиваться и углубляться.
На уровень автоматизации существенное значение оказало широкое распространение автоматизированного индивидуального электропривода, которое произошло в 30-х годах 20 века. На его основе было создано большое число различного рода машин-автоматов, а также автоматических линий. Этот фактор обеспечил не только существенное повышение производительности труда в промышленности, но и существенно расширил возможности механизации практически во всех отраслях промышленности. Это фактически дало начало современному этапу развития автоматизации во всех отраслях промышленности.
В современных условиях в связи с усложнением технологических процессов существенно усложняются и сами задачи автоматического управления:
- возрастает число регулируемых параметров, а также степень взаимосвязанности управляемых объектов;
- повышаются требования к необходимой точности процесса регулирования, а также быстродействию процессов управления;
- увеличивается дистанционность управления и т. д.
Успешное решение таких задач может быть обеспечено только с использованием современных вычислительных средств, применения как микропроцессорных, так и универсальных вычислительных систем.
Управление разнообразными технологическими процессами требует соблюдение одной или одновременно нескольких физических величин в необходимых пределах или же изменять их в соответствии с заданной закономерностью. Как правило, параллельно требуется отслеживать возможное возникновение опасных режимов функционирования объектов управления.
Физическое устройство, предназначенное для реализации требуемого технологического процесса, требующего регулирования, называют объектом управления или более кратко - объектом.
Физическую величину, у которой значение должно содержаться в заданных пределах, называют управляемым (регулируемым) параметром. Обычно ее обозначают как X. В качестве такого параметра могут выступать температура, давление, уровни жидкости и другие величины. Требуемая величина регулируемого параметра обозначается как Х0. Поскольку при внешних воздействиях на объект управления текущее значение регулируемого параметра X может существенно отличаться от заданного значения Х0, то дополнительно рассматривают величину ее отклонения. Ее обычно называют рассогласованием:
Х=Х--Х0.
Если некоторое внешнее воздействие на объект управления не зависит от действий человека-оператора и увеличивает рассогласование, то его обычно называют нагрузкой и обозначают как Мн.
Для уменьшения рассогласования требуется оказывать на объект такое воздействие, которое будет противоположно отклоняющей нагрузке. Такое воздействие на объект со стороны управляющего устройства, которое сокращает величину рассогласования, обычно называют регулирующим воздействием и обозначают Мр .
Величина регулируемого параметра X будет постоянной только в том случае, когда оказываемое регулирующее воздействие будет в точности равноым нагрузке:
Х = const только при Мр = Мн.
В этом заключается главный закон регулирования (и ручного, и автоматического). С целью сокращения положительного рассогласования требуется, чтобы величина Мр была бы по модулю превышала значение Мн. Иначе, в случае Мр<Мн величина рассогласования возрастает.
Рассмотрим автоматизированные системы. В случае ручного регулирования изменение регулирующего воздействия осуществляется оператором. Для этого он выполняет некоторую последовательность управляющих операций (например, открытие клапанов и вентилей, включение насосных установок, компрессоров, регулирование их производительности и др.). В тех случаях, когда такие операции производятся соответствующими автоматическими управляющими устройствами по команде оператора, то соответствующий способ управления называют автоматическим.
При организации управления объектом оператору требуется постоянно отслеживать данные о состоянии объекта: измерять величину параметра регулирования X, а также определять значение рассогласования Х. Такое контролирующий процесс возможно автоматизировать. Для этого надо установить измерительные приборы, получающие, показывающие и регистрирующие значение параметра Х и подавать необходимый сигнал о выходе Х за требуемые пределы.
Автоматические системы управления, имеющие замкнутую цепью воздействия и способные вырабатывать управляющее воздействие в зависимости от величины вычисляемого рассогласования, называют системами автоматической регулирования (САР). При этом автоматическим регулятором (регулятором) называется такое устройство, которое, с одной стороны, принимает величину рассогласования, а с другой стороны, оказывает воздействие на объект таким образом, чтобы сократить величину такого рассогласования.
Рассмотрим классификацию САУ. В соответствии с целью воздействия на объект управления выделяют такие виды систем управления.
1. Стабилизирующие системы. Сих задача заключается в поддержании постоянного значения регулируемого параметра (на практике для него задают допустимые пределы). У них параметры настройки постоянны.
2. Программные системы. Такие системы обладают необходимой настройкой, которая изменяется в течение времени в соответствии с заданной программой.
3. Следящие системы. В таких системах величина настройки постоянно варьируется в зависимости от изменения какого-либо внешнего фактора. Например, в кондиционерах в жаркую погоду с точки зрения экономии энергии, в помещении более выгодно поддерживать повышенную температуру по сравнению с прохладными днями. Для этого требуется постоянно варьировать параметры настройки в зависимости от действительной температуры наружной среды.
4. Оптимизирующие системы. В них приходящая на регулятор информация о состоянии объекта, а также и внешней среды вначале анализируется с целью расчета самого оптимального значения регулируемого параметра. По полученному значению определяется параметр настройки.
В сложных системах для сохранения требуемого уровня Х0 параметра регулирования помимо систем автоматического регулирования также возможно использование автоматической системы отслеживания нагрузки. В системе такого типа регулятор получает изменение величины нагрузки, а не готового рассогласования. При этом непрерывно обеспечивается требуемое равенство Мр=Мн. В этом случае теоретически точно соблюдается равенство X0 = const. Однако на практике по причине внешних воздействий различного рода на отдельные элементы регулятора (т.н. помех) идеальное равенство МР=Мн нарушается. При этом появляющееся рассогласование Х будет существенно превышать соответствующее значение в САР, покольку в системе контроля нагрузки нет обратной связи, которая реагирует на величину рассогласования Х.
Также в автоматических системах сложной структуры помимо основных цепей (для реализации прямой и обратной связей) возможно использование и дополнительных цепей - как для прямой, так и для и обратной связей. В том случае, когда направление дополнительной цепи совпадает с основной, то ее называют прямой. Если же направление дополнительного воздействия не совпадает с прямым, то говорят, что возникла дополнительная обратная связь. В общем случае в качестве входа автоматической системы принимают задающее воздействие, в качестве выхода - сам регулируемый параметр.
При поддержании значений регулируемых параметров в заданных пределах зачастую также требуется защита технологических установок от опасных режимов функционирования. Такую функцию исполняют системы автоматической защиты (САЗ). По своему назначение такие системы бывают профилактическими и аварийными.
Профилактические защитные системы воздействуют непосредственно на регулирующее устройство или отдельные ее элементы до момента наступления опасного режима. Например, в случае прекращения подачи воды на конденсатор, требуется остановить работу компрессора, не дожидаясь, пока давление достигнет аварийных значений.
Задача аварийных защитных систем заключается в приеме опасным значений отклонений регулируемого параметра и, соответственно, отключении одного или нескольких узлов системы для устранения такого аварийного рассогласования. При таком срабатывании защитной автоматической системы дальнейшее нормальное функционирование САР заканчивается, поскольку регулируемый параметр вышел за допустимые пределы. В том случае, когда после срабатывания защитной системы значение регулируемого параметра вернулось в допустимые для него пределы, САЗ сможет вновь запустить отключенную производственную систему. После этого САР продолжит нормальную работу. Такие системы называют защитами многоразового действия.
На больших производственных объектах обычно используют САЗ одноразового действия, так как после восстановления значения регулируемого параметра в допустимой зоне последствия нарушения могут иметь сложный непредсказуемый характер. Поэтому отключенные САЗ узлы сами не включаются.
Системы САЗ, как правило, совмещают с системами сигнализации (общими или же дифференцированными, которые определяют причину их срабатывания).
Приборы выполняют функции по защите технологических установок существенно надежнее, по сравнению с оператором-человеком. Человек может пропустить быстрое недопустимое изменение регулируемых параметров, автоматические устройства реагируют на эти недопустимые ситуации практически мгновенно. Только в некоторых случаях оператор может заметить неполадки скорее, по сравнению с контролирующими приборами. Например, оператор, может услышать стук в неисправном компрессоре до того, как возникнет аварийная ситуация. Однако опыт практической эксплуатации производственного оборудования показывает, что автоматические приборы обеспечивают значительно более высокий уровень безопасности.
Таким образом, применение систем автоматизации дает такие преимущества:
1) значительное уменьшение затрат времени и средств на обслуживание технологических процессов;
2) более точное поддержание требуемых технологических режимов, что дает повышение качества выпускаемой продукции;
3) сокращение эксплуатационных расходов (электроэнергия, вода, ремонт и пр.);
4) повышение надежности работы производственного оборудования;
5) исключение человеческих ошибок, возникающих по причине недостаточной квалификации обслуживающего персонала ил вследствие усталости.
Однако, несмотря на столь значительные положительные факторы, применение автоматизации целесообразно лишь тогда, когда она обоснована экономически (размер расходов, необходимых на выполнение автоматизации, существенно меньше той прибыли, которую дает ее внедрение). Помимо того, автоматизировать требуется такие производственные процессы, у которых:
- даже при нормальном протекании ручное управление невозможно,
- требуется особо точное управление,
- работа осуществляется во вредных или взрывоопасных средах.
Наибольшее практическое значение среди всех процессов автоматического управления имеет автоматическое регулирование.
1.2. Получение данных. Датчики в системах управления
Датчиками (измерительными преобразователем) называют такие элементы систем управления (как автоматизированных, так и автоматических), которые осуществляют преобразование некоторой измеряемой физической величины, характеризующей технологический процесс (в частности, температуры среды, уровня жидкости и др.) в специальный сигнал такого вида, который затем может быть использован для всех последующих операций по его обработке - измерении, передаче, хранению и т.д.
Как правило, в системах управления применяют датчики электрического типа из-за того, что съем и передача показаний из них осуществляется с высокой скоростью, они могут передаваться на значительные расстояния, такие датчики обладают универсальностью при последующем преобразовании их показаний в величины других типов и наоборот, в частности, их показания достаточно просто преобразуются в цифровую форму представления, применяемую затем в вычислительных управляющих устройствах.
Датчики по ряду конструктивных признаков и производственных характеристик классифицируют следующим образом.
1. По входным (измеряемым) величинам:
- механический тип перемещений (есть линейные, есть угловые),
- газовые характеристики (состава среды),
- электротехнические характеристики,
- расходомеры (для газовых, жидких и сыпучих сред),
- для измерений динамических характеристик - скорость, ускорение, усилие,
- температурных измерений,
- давления и др. характеристик
2. По выходным электрическим величинам:
- постоянный ток (его ЭДС, напряжение),
- переменный ток (амплитуда, частота, ЭДС, напряжение),
- датчики сопротивления и т.д.
3. По принципу действия датчиков их подразделяют на:
- генераторно-преобразующие (превращают вход в заданного вида электрический сигнал) и
- параметрические (датчики-модуляторы), задачей которых является требуемое изменение входной величины.
4. По разновидности выдаваемых данных датчики подразделяют на:
- аналоговый тип, в котором вырабатывается вещественный сигнал, который пропорционален некоторой входной величине;
- цифровой тип, в котором на выходе создается набор из импульсов, чаще всего – в виде двоичного слова;
- бинарный тип (дискретный, логический), в котором на выход подается двухуровневый сигнал типа 1/0, означающий, что устройство включено или выключено".
К датчикам применяют следующие требования:
- детерминированный, однозначный характер зависимостей выхода от входа;
- стабильный характер их поведения с изменением времени и с изменением внешних условий;
- требуемая чувствительность показаний;
- габаритные, означающие, что желательно, чтобы датчик имел миниатюрные размеры и небольшой вес;
- возможность различных компоновок при монтаже на объекте изхмерений.
Наиболее распространенными являются контактные датчики. Они представляют собой самый простой тип датчиков резисторного типа. В процессе измерений в них происходит преобразование величин, получаемых на первичном элементе в существенный скачок электрического сопротивления в некоторой специальной электрической цепи. Эти датчики применяют для измерения таких характеристик, как механические, динамические и др. К этому типу относятся такие датчики, как концевые выключатели, термометры контактных видов.
В процессе измерений в контактных датчиках может применяться электрический ток как постоянного, так и переменного вида. Они бывают и однопредельного типа (фиксированный нижний и верхний пределы измерений), так и многопредельного типа (большие пределы измерений). Главный недостаток такого типа датчиков представляет сложный характер организации непрерывности измерений, а также небольшие сроки службы тех контактных систем, которые используются в них (по причине их быстрого износа). В то же время, простота конструкции таких датчиков приводит к тому, что они являются самыми распространенными в системах автоматического управления.
Другим распространенным типом являются реостатные датчики. В них применяется резисторный элемент, имеющий переменное активное сопротивление. Входную информацию в датчике задают за счет изменения положения подвижного контакта. Выходной величиной является переменное сопротивление такого датчика.
Довольно распространенной является потенциометрическая схема подключения реостатного датчика, в которой реостатный узел включается подобно делителю напряжения.
Такая схема требуется для разделения прикладываемого напряжения (как постоянного, так и переменного) на отдельные измеряемые части. Используемый делитель напряжения при этом измеряет лишь долю от напряжения за счет использования электрической цепи, в которую обычно входят сопротивления и конденсаторные блоки. Соответствующее сопротивление называются потенциометром.
Применяются также датчики потенциометрического типа, которые представляют собой переменные резисторы. Конструктивно их выполняют из проводников разного типа — металлических проводов, электропроводящих пленок, полупроводниковых материалов и т.д.
Датчики тензометрического типа используют при измерениях как механических напряжений в конструкциях различного рода, так и микродеформаций и малых перемещений, малых амплитуд вибрационных перемещений. Применение тензодатчиков основано на физическом явлении тензоэффекта. В нем в случае приложения сил к проводящим элементам конструкции последние меняют величину своего электрического сопротивления.
Важным классом датчиков являются терморезисторы, у которых электрическое сопротивление изменяется вместе с изменением температуры. Они используются в следующих случаях.
1. Измерение температуры окружающей среды, в которую помещены датчики. Уровни электрического тока, проходящего через датчики очень невелика и не вызывает существенного нагревания измеряемой среды.
2. Изменение температуры самого термодатчика происходит в результате двух происходящих параллельно физических процессов: нагревания самого датчика при помощи постоянного тока, 2) охлаждения внешней средой. Установившийся температурный режим определяется теплоотдачей поверхности датчика. Наиболее распространенным случаем является охлаждение датчика потоком перемещающейся относительно него внешней среды. Поэтому такие датчики обычно применяются при измерении скоростей потока среды.
1.3. Управляющие устройства. Программируемые логические контроллеры и реле
Программируемые логические контроллеры (сокр. ПЛК; англ. programmable logic controller, сокр. PLC) являются одним из типов вычислительных устройств, работающих в системах реального времени и применяемых для автоматизации управления технологическими процессами. Их существенной отличительной особенностью является то, что ПЛК, как правило, работают автономно в течение длительного времени (недели, месяцы) без какого-либо обслуживания их со стороны персонала.
Основными особенностями ПЛК, как вычислительных устройств, являются следующие.
1. В отличие от микроконтроллеров, представляющих собой однокристальные компьютеры, которые используются аналогично им, ПЛК представляю собой автономные устройства, управляющие исполнительными устройствами с использование своих систем входов и выходов.
2. В отличие от компьютеров, главной задачей которых является работа с пользователями, ПЛК функционируют в автономном режиме.
3. В отличие от встраиваемых систем, являющихся частью внешней вычислительной системы, ПЛК не встроены нив какие внешние вычислительные системы и полностью самостоятельны.
При формировании управляющих воздействий основным типом операций являются логические. Поскольку их значительно больше, чем операций с вещественными числами, то это позволяет ПЛК эффективно работать в режиме реального времени. При необходимости современные ПЛК могут выполнять и операции с вещественными числами. При этом программы для них можно разрабатывать на современных специализированных языках программирования. С учетом сказанного, можно утверждать, что современные ПЛК как по вычислительной мощности, так и по размеру используемой памяти довольно близки к компьютерным вычислительным устройствам.
Практически для построения ПЛК применяют две архитектуры.
1. Централизованный тип. Блоки для ввода и вывода данных помещены в сам ПЛК, все датчики, а также управляемые устройства присоединяются непосредственно к ПЛК при помощи специальных промежуточных модулей.
2. Распределенный тип. Источники информации и управляемые устройства значительно пространственно удалены от ПЛК и связаны с ним при помощи сетевых устройств.
Конструкция ПЛК содержит следующие основные части:
- вычислительный блок, в качестве которого обычно выступает некоторая микросхема (микроконтроллер либо микросхема FPGA с соответствующей обвязкой);
- система времени, позволяющая контролировать реальное время;
- блок энергонезависимой памяти;
- ряда интерфейсов, которые обеспечивают процессы ввода и вывода (RS-485, RS-232, Ethernet)
- входные и выходные схемы для защиты, а также преобразования напряжения (используются из-за того, что обычно входы и выходы ПЛК работают на низких уровнях напряжений: 3,3 - 5 В и их невозможно присоединять к рабочим устройствам, работающим при напряжениях либо 24 В постоянного тока либо 220 В переменного тока).
1.5.1. Типы ПЛК. Их программирование
Исходя из назначения, ПЛК подразделяют на:
- основные ПЛК,
- программируемые реле,
- программируемые ПЛК на базе IBM PC-совместимых компьютеров,
- ПЛК на основе микропроцессоров (i8088/8086/8051 и т. п.),
- контроллеры ЭСУД (системы управления двигателем).
Программа для ПЛК представляет собой частный случай модуля POU. В общем случае такими модулями являются не только программы, но и функциональные блоки и отдельные функции. Обычно ПЛК представляю собой универсальные управляющие устройства, поэтому они могут сохранять не одну, а несколько управляющих программ, которые можно выбрать нужной из них осуществляется через клавиатуру ПЛК.
Программирование ПЛК производится на стандартизованных языках программирования, включенных в международный набор стандартов IEC61131-3. Он утвержден комиссией МЭК (IEC). По структуре программ среди таких языков выделяют графические и текстовые. Среди них выделяют следующие.
Графические.
1. LАD (Ladder Diagram), язык программирования релейных схем), самый распространённый.
2. FBD (Function Block Diagram) - язык функциональных блоковых диаграмм. Программа представляет собой схематическое изображение управляющей системы.
3. SFC (Sequential Function Chart_ - язык последовательных функциональных блоков. Применяется при программировании управляющих систем, сходных по устройству и принципу действия с конечными автоматами.
Текстовые.
1. IL (Instruction List), сходен по структуре алгоритмическим языком Ассемблер.
2. Statement List (STL) – язык для структурирования текста. Представляет собой язык высокого уровня. Его операторы похожи на операторы языка программирования Паскаль.
Кроме стандартных языков применяются и другие, используемые либо у конкретных фирм-производителей либо применяемые для решения специальных задач управления.
Как правило, среды программирования, применяемые для ПЛК, представляют пользователям не только писать текст управляющих программ на разных языках, но и производить трансляцию кода программ с одного языка программирования на другой. Такой прием позволяет оптимизировать разработку программ из-за того, что есть задачи, которые легко решаются на одном языке и значительно труднее – на других.
При использовании языков МЭК 61131-3 обычно применяют следующие среды программирования: CoDeSys, ISaGRAFСред, ИСР "КРУГОЛ", Beremiz, KLogic, а также ряд других.
