Аппаратная и программная платформа контроллеров. - раздел Менеджмент, Управление техническими системами Промышленные Контроллеры И Компьютеры. Расположенные На Средне Уровне Асутп И...
Промышленные контроллеры и компьютеры. расположенные на средне уровне АСУТП играют роль управляющих элементов. принимающих цифровую информацию и передающих управляющие сигналы.
До последнего времени роль контроллеров в АСУТП в основном исполняли PLC (Programmable Logic Controller - программируемые логические контроллеры) зарубежного и отечественного производства. Наиболее популярны нашей стране PLC таких зарубежных производителей, как Allen-Braidly, Siemens, ABB, Modicon, а также отечественные модели: «Ломиконт», «Ремиконт», Ш-711, «Микродат», «Эмикон» и др.
В связи с бурным ростом производства миниатюрных РС-совместимых компьютеров последние все чаще стали использовать в качестве контроллеров.
Первое и главное преимущество РС-контроллеров связано с их открытотью, позволяющей применять в АСУ оборудование разных фирм. Теперь пользователь не привязан к конкретному производителю.
Второе важное преимущество их заключается в более «родственных» связях с компьютерами верхнего уровня. В результате не требуются дополнительные затраты на подготовку персонала.
Третье преимущество - более высокая надежность. Обычно различают физическую и программную надежность контроллеров. Под физической надежностью понимают способность аппаратуры устойчиво функционировать в условиях окружающей среды промышленного цеха и противостоять ее вредному воздействию. Под программной понимается способность программного обеспечения (ПО) устойчиво функционировать в ситуациях, требующих реакции в заданное время. Программная надежность определяется в первую очередь степенью отлаженности ПО. Поскольку в большинстве РС-контроллеров используются коммерческие широко распространенные и хорошо отлаженные операционные системы (Windows, Unix, Linux, QNX и др.), то следует ожидать, что программная надежность будет выше, чем у PLC.
Операционные системы контроллеров должны удовлетворять не только требованиям открытости, но и требованиям работы в режиме реального времени, была компактна и имела возможность запуска из ПЗУ или флеш-памяти.
4. Операционная система PC-контроллеров
Операционная система контроллеров должна удовлетворять требованиям открытости. Но не только им. Специфика условий работы контроллеров требует, чтобы ОС поддерживала работу в режиме реального времени, была компактна и имела возможность запуска из ПЗУ или флэш-памяти.
Для PC-контроллеров лучше всего подходит операционная система QNX (фирма QSSL, Канада). Прежде всего, это связано с тем, что архитектура QNX является открытой, модульной и легко модифицируемой. QNX может загружаться как из ПЗУ, флэш-памяти, так и с помощью удаленной загрузки по сети. QNX разработана в соответствии со стандартами POSIX, является коммерческой операционной системой, широко распространена на мировом рынке (сотни тысяч продаж), поддерживает все шины, используемые в PC-контроллерах, включая ISA, PCI, CompactPCI, PC/104, VME, STD32. Более ста фирм - производителей программного и аппаратного обеспечения выпускают продукцию, ориентированную на QNX.
QNX является операционной системой, которая дает полную гарантию в том, что процесс с наивысшим приоритетом начнет выполняться практически немедленно и что критическое событие (например, сигнал тревоги) всегда будет обработано. Она известна как операционная система, функционирующая в "защищенном режиме". Это означает, что все программы в системе защищены друг от друга и любая "фатальная" ошибка в одной из программ не приводит к "краху" всей системы. Файловая система QNX была разработана с учетом обеспечения целостности данных при отключениях питания. Даже при форс-мажорном отключении питания вы лишь потеряете некоторые данные из кэш-памяти, но файловая система не разрушится. После включения компьютера будет обеспечена нормальная работа системы. В QNX полностью реализовано встроенное сетевое взаимодействие "точка-точка". По существу, сеть из машин QNX действует как один мощный компьютер. Любые ресурсы (модемы, диски, принтеры) могут быть добавлены к системе простым подключением к любой машине в сети. QNX поддерживает одновременную работу в сетях Ethernet, Arcnet, Serial и Token Ring и обеспечивает более чем один путь для коммуникации, а также балансировку нагрузки в сетях. Если кабель или сетевая плата выходят из строя и связь прекращается, то система будет автоматически перенаправлять данные через другую сеть. Это предоставляет пользователю автоматическую сетевую избыточность и увеличивает скорость и надежность коммуникаций во всей системе.
5. Средства технологического программирования контроллеров
Специфика работы с контроллерами по сравнению с обычными офисными компьютерами состоит не только в ориентации на работу с платами ввода-вывода, но и в преимущественном использовании языков технологического программирования. Как правило, на промышленных предприятиях с контроллерами работают не программисты, а технологи, хорошо знающие специфику объектов управления и технологического процесса. Для описания процессов обычно используются такие языки, как язык релейно-контактных схем, функциональных блоков и так далее, теоретические основы которых взяты из методов автоматического управления. Накопленный многими фирмами опыт был обобщен в виде стандарта IEC 1131-3 [1], где определены пять языков программирования контроллеров: SFC - последовательных функциональных схем, LD - релейных диаграмм, FBD - функциональных блоковых диаграмм, ST - структурированного текста, IL - инструкций. Важно отметить, что использование данного стандарта полностью соответствует концепции открытых систем, а именно, делает программу для контроллера независимой от конкретного оборудования - ни от типа процессора, ни от операционной системы, ни от плат ввода-вывода. В настоящее время программы многих фирм поддерживают этот стандарт: ACCON-Prosys 1131 (фирма DeltaLogic), Open DK (фирма infoteam Software GmbH), Multiprog (фирма KW Software), NAiS Control (Matsushita Automation Controls) и др. Наиболее известной реализацией этого стандарта является пакет ISaGRAF фирмы CJ International, включающий систему разработки (WorkBench) и систему исполнения (Target).
Если первая используется для создания, моделирования, тестирования и документирования прикладных программ, исполняемых под управлением ядра ISaGRAF, то вторая загружается извне либо записывается в ПЗУ. По данным организации PLCopen, в настоящее время программа, созданная с помощью ISaGRAF, может быть загружена и исполнена на процессорах Intel и Motorola под управлением операционных систем DOS, OS-9, QNX, iRMX, Lynx, pSOS, OS-9000, VMEexec, VRTX, VxWorks, Windows NT. Основными достоинствами ISaGRAF являются простой, интуитивно понятный для технолога графический интерфейс, встроенные средства отладки, моделирования, тестирования и документирования программ, поддержка промышленных сетей (Profibus, Modbus).
6. Пример реализации контроллеров
В качестве примера контроллера, построенного на базе концепции открытых систем рассмотрим контроллер CS104 фирмы Steinhoff. Это компактный, модульный и PC-совместимый компьютер, который может комплектоваться оборудованием любой фирмы, поставляющей платы в формате PC/104, в том числе платы ввода-вывода, жесткие или гибкие диски, PC-карты, флэш-память и т. д. Базовый комплект контроллера фирмы Steinhoff: процессорный модуль, включающий сам процессор, 4-Мбайт динамическое ОЗУ, интерфейсы для клавиатуры, мыши, два последовательных и один параллельный порт, IDE/FDD, 128-Kбайт флэш-памяти, таймер реального времени, сторожевой таймер, Ethernet. Для ОС QNX обеспечивается удаленная загрузка по сети. По усмотрению пользователя контроллер CS104 может быть укомплектован одним из следующих интерфейсов для промышленных сетей: Profibus, CAN, InterBus-S, LonWorks, II/O Lightbus, к каждому из которых поставляются драйверы, работающие в QNX. Для технологического программирования используется пакет ISaGRAF с исполнительной системой для ОС QNX. Такая архитектура ПО позволяет на работающей системе осуществлять удаленное программирование (на технологических языках IL, ST, FB, SFC, LD) и отладку в защищенном режиме элементов приложения, обслуживающих отдельные 32-разрядные задачи рабочего процесса, что гарантирует высокую надежность работы системы в целом.
Взаимодействие со SCADA-системами обеспечивают драйверы для нескольких пакетов, таких как RealFlex, Sitex и др. [2]. Таким образом, контроллер CS104 позволяет построить систему АСУ ТП с использованием стандартных компонентов, обладающую модульностью и масштабируемостью, т. е. в полной мере соответствующую концепции открытых систем.
Основные модели.
Работу системы регулирования можно описать словесно. Так, в п. 1.1 описана система регулирования температуры сушильного шкафа. Словесное описание помогает понять принцип действия системы, ее назнач
Динамические характеристики.
Переход системы от одного установившегося режима к другому при каких-либо входных воздействиях называется переходным процессом. Переходные процессы могут изображаться графически в виде кривой y(t).
Дифференциальные уравнения. Линеаризация.
Известно, что любое движение, процессы передачи, обмена, преобразования энергии и вещества математически можно описать в виде дифференциальных уравнений (ДУ). Любые процессы в АСР также принято опи
Преобразования Лапласа.
Исследование АСР существенно упрощается при использовании прикладных математических методов операционного исчисления. Например, функционирование некоторой системы описывается ДУ вида
Определение передаточной функции.
Преобразование ДУ по Лапласу дает возможность ввести удобное понятие передаточной функции, характеризующей динамические свойства системы.
Например, операторное уравнение
3s2
Соединения звеньев.
Поскольку исследуемый объект в целях упрощения анализа функционирования разбит нами на звенья, то после определения передаточных функций для каждого звена встает задача объединения их в одну переда
Передаточные функции АСР.
Для исследования и расчета структурную схему АСР путем эквивалентных преобразований приводят к прост
Определение частотных характеристик.
Известно, что динамические процессы могут быть представлены частотными характеристиками (ЧХ) путем разложения функции в ряд Фурье.
Предположим, имеется некоторый объект и требуется определ
Логарифмические частотные характеристики.
Логарифмические частотные характеристики (ЛЧХ) используются довольно часто для описания динамических параметров различных устройств. Существуют два основных вида ЛЧХ, которые, как правило, использу
Устойчивость.
Важным показателем АСР является устойчивость, поскольку основное ее назначение заключается в поддержании заданного постоянного значения регулируемого параметра или изменение его по определенному за
Корневой критерий.
Корневой критерий определяет устойчивость системы по виду передаточной функции. Динамической характеристикой системы, описывающей основные поведенческие свойства, является характеристический полино
Критерий Гурвица.
Критерий Гурвица работает с характеристическим полиномом замкнутой системы. Как известно, структурная схема АСР по ошибке имеет вид (см. рис.)
Wp - передаточная функция регулято
Критерий Михайлова.
Описанные выше критерии устойчивости не работают, если передаточная функция системы имеет запаздывание, то есть может быть записана в виде
Критерий Найквиста.
Данный критерий аналогичен критерию Михайлова, но работает с АФХ системы, поэтому более сложен для расчетов.
Последовательность:
1) Определяется передаточная функция разомкнутой с
Показатели качества
Если исследуемая АСР устойчива, то может возникнуть вопрос о том, насколько качественно происходит регулирование в этой системе и удовлетворяет ли оно технологическим требованиям. На практике качес
Прямые показатели качества.
К ним относятся: степень затухания y, перерегулирование s, статическая ошибка ест, время регулирования tp и др.
Рис. 1.38
Корневые показатели качества.
К ним относятся: степень колебательности m, степень устойчивости h и др.
Не требуют построения переходных кривых, поскольку определяются по корням характеристического полинома. Для этого к
Частотные показатели качества.
Для определения частотных показателей качества требуется построение АФХ разомкнутой системы и АЧХ замкнутой системы.
По АФХ определяются запасы: DA - по амплитуде,
Типы регуляторов.
Для регулирования объектами управления, как правило, используют типовые регуляторы, названия которых соответствуют названиям типовых звеньев:
1) П-регулятор (пропорциональный регулятор)
Определение оптимальных настроек регуляторов.
Регулятор, включенный в АСР, может иметь несколько настроек, каждая из которых может изменяться в достаточно широких пределах. При этом при определенных значениях настроек система будет управлять о
Государственная система приборов (ГСП).
ГСП объединяет в себе все средства контроля и регулирования технологических процессов. Характерной особенностью ГСП является:
1) блочно-модульный принцип, лежащий в основе конструкций устр
Точность преобразования информации.
Прямое измерение – измерение, при котором искомое значение величины находят непосредственно из опытных данных.
Косвенное измерение - измерен
Виды первичных преобразователей.
Первичные приборы или первичные преобразователи предназначены для непосредственного преобразования измеряемой величины в другую величину, удобную для
Термометры, основанные на расширении твердых тел.
К этой группе приборов относятся дилатометрические и биметаллические термометры, основанные на изменении линейных размеров твердых тел с изменением температуры.
1) Конструкти
Газовые манометрические термометры.
В основу принципа действия манометрического термометра положена зависимость между температурой и давлением термометрического (рабочего) вещества, лишенного возможности свободно расширяться при нагр
Конденсационные манометрические термометры.
Конденсационные манометрические термометры реализуют зависимость упругости насыщенных паров низкокипящей жидкости от температуры. Поскольку эти зависимости для используемых жидкостей (хлористый мет
Термометры сопротивления.
Измерение температуры термосопротивлениями основано на свойстве проводников и полупроводников изменять свое электрическое сопротивление при изменении температуры.
Вид функции R = f(t) зави
Пирометры излучения.
Пирометры излучения основаны на использовании теплового излучения нагретых тел. Верхний предел измерения температуры пирометра излучения практически не ограничен. Измерение основано на бесконтактно
Пирометрические милливольтметры.
Пирометрические милливольтметры являются электро-измерительными приборами магнито-электрической сист
Методы измерения сопротивления.
Для измерения сопротивлений термоэлектрических сопротивлений (ТС) часто используют автоматические электронные мосты, включенные по двухпроводной, трехпроводной или четырехпроводной схемам.
Чашечные манометры и дифманометры.
Н
Чашечный (однотрубный) манометр является разновидностью U-образного трубного манометра (см. рис. 2.10), у которого
Электрические манометры.
Преобразователи давления типа "Сапфир".
Эти манометры обеспечивают непрерывное преобразование значение измеряемого параметра (давления избыточного, абсолютного,
Метод переменного перепада давления.
Является самым распространенным и изученным методом измерения расхода жидкости, пара и газа.
В измерительной технике сужающими устройствами являются диафрагмы, сопла и сопла Вентури.
Расходомеры постоянного перепада давления.
К ним относятся гидродинамические, поршневые, поплавковые, ротаметрические расходомеры.
Наиболее распространенными приборами группы расходомеров постоянного перепада давления являются рота
Методы измерения уровня.
В общем объеме измерительных операций в нефтепереработке, нефтехимии и газовой промышленности измерение уровня составляет 18 - 20 %.
Поl измерением уровня понимаетс
Буйковые уровнемеры.
Действие буйкового уровнемера основано на законе Архимеда. Чувствительный элемент буйкового уровнеме
Гидростатические уровнемеры.
В этих приборах измерение уровня жидкости постоянной плотности сводится к измерению давления, создан
Исполнительные устройства насосного типа.
Структура ИУ насосного типа представлена на рисунке, где обозначено: u – управляющее воздействие со стороны регулятора, ИМ – исполнительный механизм (привод), РО – регулирующий орган (насос), Х
Исполнительные механизмы.
Стандартные исполнительные механизмы (ИМ) работают в комплекте с РО, образуя вместе ИУ, и классифицируются по:
- виду энергии, создающей перестановочное усилие (электричес
Условные обозначения
Все местные измерительные и преобразовательные приборы, установленные на технологическом объекте изображаются на функциональных схемах автоматизации в виде окружностей (см. рис. 2.30, а и б).
Индикация и регистрация температуры (TIR).
101-1 Термоэлектрический термометр тип ТХА, гр. ХА, пределы измерения от –50 °С до 900 °С, материал корпуса Ст0Х20Н14С2, марка
Схемы контроля уровня и расхода.
Схемы контроля уровня аналогичны схемам контроля давления, поскольку его значение при измерении либо преобразуется в давление, либо датчики уровня, как и датчики давления, имеют на выходе стандартн
Структура АСУ ТП.
Характерной особенностью развития современной электронной промышленности является бурный рост, сопровождающийся столь же бурным снижением стоимости средств автоматизации, вычислительной техники, ко
Устройства связи с объектом (УСО).
Почти все технологические параметры, присутствующие в реальном технологическом объекте. имеют аналоговый или дискретный вид. Существует много датчиков, которые могут преобразовывать измеряемые вели
Часть 1. Теория Автоматического Управления (ТАУ) 3
1. Основные термины и определения ТАУ. 3
1.1. Основные понятия. 3
1.2. Классификация АСР. 6
1.3. Классификация элементов автоматических систем. 8
2. Характеристи
Часть 2. Средства автоматизации и управления. 35
1. Измерения технологических параметров. 35
1.1. Государственная система приборов (ГСП). 35
1.2. Точность преобразования информации. 35
1.3. Классификация КИП. 37
Хотите получать на электронную почту самые свежие новости?
Подпишитесь на Нашу рассылку
Наша политика приватности обеспечивает 100% безопасность и анонимность Ваших E-Mail
Новости и инфо для студентов