Федеральное агенство по образованию

Государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Омский государственный технический университет»

В.Н. Гудинов, А.П. Корнейчук

ТЕХНИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА АВТОМАТИЗАЦИИ
Конспект лекций

Омск 2006
УДК 681.5.08(075)

ББК 973.26-04я73

Г
Р е ц е н з е н т ы:
Н.С. Галдин, д.т.н., профессор кафедры «ПТТМ и Г» СибАДИ,

В.В. Захаров, начальник отдела автоматизации ЗАО «НОМБУС».
Гудинов В.Н., Корнейчук А.П.

Г Технические средства автоматизации: Конспект лекций. – Омск: Изд-во ОмГТУ, 2006. – 52 с.
В конспекте лекций даны основные сведения о современных технических и программно-технических средствах автоматизации (ТСА) и программно-технических комплексах (ПТК), о принципах их построения, классификации, составе, назначении, характеристиках и особенностях применения в различных автоматизированных системах управления и регулирования технологическими процессами (АСУ ТП).

Конспект лекций предназначен для студентов дневной, вечерней, заочной и дистанционной форм обучения по специальности 220301 – «Автоматизация технологических процессов и производств».
Печатается по решению редакционно-издательского совета Омского государственного технического университета.
УДК 681.5.08(075)

ББК 973.26-04я73

© В.Н. Гудинов, А.П. Корнейчук 2006

© Омский государственный

технический университет, 2006

1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ТЕХНИЧЕСКИХ СРЕДСТВАХ АВТОМАТИЗАЦИИ

ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ
Целью курса «Технические средства автоматизации» (ТСА) является изучение элементной базы систем автоматического управления технологическими процессами. Вначале приведем основные понятия и определения.

Элемент (устройство) – конструктивно законченное техническое изделие, предназначенное для выполнения определённых функций в системах автоматизации (измерение, передача сигнала, хранение информации, ее обработка, выработка команд управления и т.п.).

Система автоматического управления (САУ) – совокупность технических устройств и программно-технических средств, взаимодействующих между собой с целью реализации некоторого закона (алгоритма) управления.

Автоматизированная система управления технологическим процессом (АСУ ТП) – система, предназначенная для выработки и реализации управляющих воздействий на технологический объект управления и представляющая собой человеко-машинную систему, обеспечивающую автоматический сбор и обработку информации, необходимую для управления этим технологическим объектом в соответствии с принятыми критериями (техническими, технологическими, экономическими).

Технологический объект управления (ТОУ) - совокупность технологического оборудования и реализованного на нем по соответствующим инструкциям и регламентам технологического процесса.

При создании современных АСУ ТП наблюдается мировая инте­грация и унификация технических решений. Основное требова­ние современных САУ – это открытость системы, когда для нее определены и описаны используе­мые форматы данных и процедурный интерфейс, что позволяет под­ключить к ней «внешние» независимо разработанные устройства и приборы. За последние годы рынок ТСА су­щественно изменился, создано много отечественных предприятий, выпус­кающих средства и системы автоматизации, появились фирмы – системные инте­граторы. С начала 90-х годов ведущие зарубежные производители ТСА, начали широкое внедрение своей продукции в страны СНГ через торговые представительства, филиалы, со­вместные предприятия и фирмы-дилеры.

Интенсивное развитие и быстрая динамика рынка современной техники управления требуют появления литературы, отражающей со­временное состояние ТСА. В настоя­щее время свежая информация о средствах автоматизации оте­чественных и зарубежных фирм имеет разрозненный характер и в основном представлена в периодической печати либо в глобальной сети Internet на сайтах фирм-производителей или на специализиро­ванных информационных порталах, таких как www.asutp.ru, www.mka.ru, www.industrialauto.ru. Целью настоящего конспекта лекций является систематизированное представление материала о элементах и про­мышленных комплексах ТСА. Конспект предназначен для студентов специальности «Автоматизация технологических процессов и производств», изучающих дисциплину «Технические средства автоматизации».

1.1. Классификация ТСА по функциональному назначению в САУ

В соответствии с ГОСТ 12997-84 весь комплекс ТСА по их функциональному назначению в САУ делят на следующие семь групп (рис.1).

Рис. 1. Классификация ТСА по функциональному назначению в САУ:

СУ – система управления; ОУ – объект управления; КС – каналы связи;

ЗУ – задающие устройства; УПИ – устройства переработки информации;

УсПУ – усилительно-преобразовательные устройства; УОИ – устройства отображения информации; ИМ – исполнительные механизмы; РО – рабочие органы; КУ – контрольные устройства; Д – датчики; ВП – вторичные преобразователи

1.2. Тенденции развития ТСА
1. Увеличение функциональных возможностей ТСА:

– в функции управлении (от простейшего пуска/останова и автоматического реверса к цикловому и числовому программному и адаптивному управлению);

– в функции сигнализации (от простейших лампочек до текстовых и графических дисплеев);

– в функции диагностики (от индикации обрыва цепи до программного тестирования всей системы автоматики);

– в функции связи с другими системами (от проводной связи до сетевых промышленных средств).

2. Усложнение элементной базы – означает переход от релейно-контактных схем к бесконтактным схемам на полупроводниковых отдельных элементах, а от них к интегральным микросхемам все большей степени интеграции (рис.2).

Рис. 2. Этапы развития электрических ТСА
3. Переход от жёстких (аппаратных, схемных) структур к гибким (перенастраиваемым, перепрограммируемым) структурам.

4. Переход от ручных (интуитивных) методов проектирования ТСА к машинным, научно-обоснованным системам автоматизированного проектирования (САПР).

1.3. Методы изображения ТСА
В процессе изучения данного курса могут применяться разнообразные методы изображения и представления ТСА и их составных частей. Наиболее часто используются следующие:

1. Конструктивный метод (рис. 7-13) предполагает изображение приборов и устройств методами машиностроительного черчения в виде технических рисунков, компоновок, общих видов, проекций (в том числе и аксонометрических), сечений, разрезов и т.п. .

2. Схемный метод (рис. 14,16-21,23) предполагает в соответствии с ГОСТами ЕСКД представление ТСА схемами различных видов (электрических, пневматических, гидравлических, кинематических) и типов (структурных, функциональных, принципиальных, монтажных и др.) .

3. Математическая модель применяется чаще для программно-реализуемых ТСА и может быть представлена:

– передаточными функциями типовых динамических звеньев;

– дифференциальными уравнениями протекающих процессов;

– логическими функциями управления выходов и переходов;

– графами состояния, циклограммами, временными диаграммами (рис. 14, 28);

– блок-схемами алгоритмов функционирования (рис. 40) и т.п.
1.4. Основные принципы построения ТСА
Для построения современных АСУ ТП требуются разнообразные устройства и элементы. Удовлетворение потребностей столь различных по качеству и сложности СУ в средствах автоматизации при их индивидуальной разработке и изготовлении сделало бы проблему автоматизации необозримой, а номенклатуру приборов и устройств автоматики практически беспредельной.

В конце 50-х годов в СССР была сформулирована проблема создания единой для всей страны Государственной Системы промышленных Приборов и средств автоматизации (ГСП) – представляющей рационально организованную совокупность приборов и устройств, удовлетворяющих принципам типизации, унификации, агрегатирования, и предназначенных для построения автоматизированных систем измерения, контроля, регулирования и управления технологическими процессами в различных отраслях промышленности. А с 70-х годов ГСП охватывает и непромышленные сферы деятельности человека, такие как: научные исследования, испытания, медицина и др.

Типизация – это обоснованное сведение многообразия избранных типов, конструкций машин, оборудования, приборов, к небольшому числу наилучших с какой-либо точки зрения образцов, обладающих существенными качественными признаками. В процессе типизации разрабатываются и устанавливаются типовые конструкции, содержащие общие для ряда изделий базовые элементы и параметры, в том числе перспективные. Процесс типизации эквивалентен группированию, классификации некоторого исходного, заданного множества элементов, в ограниченный ряд типов с учётом реально действующих ограничений.

Унификация – это приведение различных видов продукции и средств её производства к рациональному минимуму типоразмеров, марок, форм, свойств. Она вносит единообразие в основные параметры типовых решений ТСА и устраняет неоправданное многообразие средств одинакового назначения и разнотипность их частей. Одинаковые или разные по своему функциональному назначению устройства, их блоки и модули, но являющиеся производными от одной базовой конструкции, образуют унифицированный ряд.

Агрегатирование – это разработка и использование ограниченной номенклатуры типовых унифицированных модулей, блоков, устройств и унифицированных типовых конструкций (УТК) для построения множества сложных проблемно-ориентированных систем и комплексов. Агрегатирование позволяет создавать на одной основе различные модификации изделий, выпускать ТСА одинакового назначения, но с различными техническими характеристиками.

Принцип агрегатирования широко применяется во многих отраслях техники (например, агрегатные станки и модульные промышленные роботы в машиностроении, IBM-совместимые компьютеры в системах управления и автоматизации обработки информации и др.).

2. ГОСУДАРСТВЕННАЯ СИСТЕМА ПРОМЫШЛЕННЫХ ПРИБОРОВ

И СРЕДСТВ АВТОМАТИЗАЦИИ

ГСП представляет собой сложную развивающуюся систему, состоящую из ряда подсистем, которые можно рассматривать и классифицировать с разных позиций. Рассмотрим функционально-иерархическую и конструктивно-технологическую структуры технических средств ГСП.
2.1. Функционально-иерархическая структура ГСП

Рис. 3. Иерархия ГСП
Отличительными особенностями современных структур построения автоматизированных систем управления промышленными предприятиями являются: проникновение вычислительных средств и внедрение сетевых технологий на все уровни управления.

В мировой практике специалисты по комплексной автоматизации производства также выделяют пять уровней управления современным предприятием (рис. 4), что полностью совпадает с выше приведенной иерархической структурой ГСП.

На уровне Е RP – Enterprise Resource Planning (планирования ресурсов предприятия) осуществляют­ся расчет и анализ финансово-эко­номических показателей, решают­ся стратегические административные и логисти­ческие задачи.

На уровне MES – Manufacturing Execution Systems (системы исполнения производством) – задачи управления качеством про­дукции, планирования и контро­ля последовательности операций технологического процесса, уп­равления производственными и людскими ресурсами в рамках тех­нологического процесса, техничес­кого обслуживания производ­ственного оборудования.

Эти два уровня относятся к задачам АСУП (автоматизированным системам управления предприятием) и технические средства, с помощью которых эти задачи реализуются – это офисные персональные компьютеры (ПК) и рабочие станции на их основе в службах главных специалистов предприятия.


Рис. 4. Пирамида управления современным производством.
На следующих трех уровнях решаются задачи, которые относятся к классу АСУ ТП (автоматизированных систем управления технологическими процессами).

SCADA – Supervisory Control and Data Acquisition (система сбора данных и супервизорного (диспетчерского) управления) – это уровень тактического оперативного управления, на котором решаются задачи оптимизации, диагностики, адаптации и т.п.

Control - level – уровень непосредственного (локального) управления, который реализуется на таких ТСА как: ПО – панели (пульты) операторов, ПЛК – программируемые логические контроллеры, УСО – устройства связи с объектом.

HMI – Human-Machine Interface (человеко-машинная связь) – осуществляет визуализацию (отображение информации) хода технологического процесса.

Input / Output – Входы/Выходы объекта управления представляют собой

датчики и исполнительные механизмы (Д/ИМ) конкретных технологических установок и рабочих машин.

2.2. Конструктивно-технологическая структура ГСП


Рис. 5. Структура ГСП
УКТС (унифицированный комплекс технических средств) – это совокупность разных типов технических изделий, предназначенных для выполнения различных функций, но построенных на основе одного принципа действия и имеющие одинаковые конструктивные элементы.

АКТС (агрегатныйкомплекс технических средств) – это совокупность различных типов технических изделий и приборов, взаимосвязанных между собой по функциональному назначению, конструктивному исполнению, виду питания, уровню входных/выходных сигналов, создаваемая на единой конструктивной и программно-технической базе по блочно-модульному принципу. Примеры известных отечественных УКТС и АКТС приведены в табл. 1.

ПТК (программно-технический комплекс) – этосовокупность микропроцессорных средств автоматизации (программируемые логические контроллеры, локальные регуляторы, устройства связи с объектом), дисплейных панелей операторов и серверов, промышленных сетей, связывающих между собой перечисленные компоненты, а также промышленного программного обеспечения всех этих составных частей, предназначенная для создания распределенных АСУ ТП в различных отраслях промышленности. Примеры современных отечественных и зарубежных ПТК приведены в табл. 2.

Конкретные комплексы технических средств состоят из сотен и тысяч различных типов, типоразмеров, модификаций и исполнений приборов и устройств.

Тип изделия – это совокупность технических изделий, одинаковых по функциональному назначению, единого принципа действия, имеющие одинаковую номенклатуру главного параметра.

Типоразмер – изделия одного и того же типа, но имеющие свои конкретные значения главного параметра.

Модификация – это совокупность изделий одного типа, имеющих определенные конструктивные особенности.

Исполнение – конструктивные особенности, влияющие на эксплуатационные характеристики.

Комплексы ТСА Таблица 1

Наименование	Состав оборудования	Область применения
Агрегатные средства контроля и регулирования (АСКР)	Преобразователи; устройства программной обработки сигналов; средства отображения информации	Централизованный контроль и регулирование непрерывными и дискретными ТП
Агрегатный комплекс аналоговых электрических средств регулирования на микроэлементной базе (АКЭСР)	Устройства ввода/вывода; регуляторы; задатчики; функциональные блоки; бесконтактные ИМ	Локальные САУ, АСУ непрерывными ТП
Агрегатный комплекс щитовых электрических средств регулирования (КАСКАД-2)	Аналоговые и позиционные регуляторы; вспомогательные устройства	Локальные САУ; системы централизованного контроля и регулирования
Комплекс ТС для локальных информационно- управляемых систем (КТСЛИУС-2)	Устройства преобразования сигналов; ввод/вывод информации в процессор; ОЗУ и внешняя память; контроллеры	Локальные САУ в составе АСУ ТП для непрерывных и дискретных ТП
Микропроцессорные средства диспетчеризации автоматики и телемеханики (МикроДАТ)	Устройства сбора, первичной обработки, отображения и хранения данных; цифровое, программно-логическое управление	Распределенные непрерывные и дискретные АСУ ТП
Агрегатный комплекс щитовых пневматических средств регулирования (СТАРТ)	Регуляторы; показывающие и регистрирующие приборы; функциональные блоки	Пожароопасные технологические процессы
Агрегатный функционально-технический комплекс пневматических средств (ЦЕНТР)	Устройства контроля; ПИ-регуляторы; дистанционное управление ИМ; пульты операторов
Агрегатный комплекс средств сбора и первичной обработки дискретной информации (АСПИ)	Устройства регистрации, первичной обработки, сбора и передачи информации	АСУ ТП и АСУП для сбора и формирования дискретной первичной информации
Агрегатный комплекс средств электроизмерительной техники (АСЭТ)	Устройства сбора и преобразования информации; коммутаторы; ЦАП и АЦП	Научные исследования, испытания; диагностика
Агрегатный комплекс средств вычислительной техники (АСВТ-М)	Устройства непрерывного управления и переработки, хранения информации, ввода/вывода на носители	АСУ ТП и АСУП, связанные с обработкой большого количества информации
Агрегатный комплекс электрических исполнительных механизмов (АКЭИМ)	Исполнительные механизмы, построенные из унифицированных блоков и модулей	АСУ ТП во всех отраслях промышленности

Щербина Ю. В.
Технические средства автоматизации и управления

Министерство образования Российской Федерации
Московский государственный университет печати

Учебное пособие
Допущено УМО по образованию в области полиграфии и книжного дела для студентов высших учебных заведений, обучающихся по специальности 210100 «Управление и информатика в технических системах»

Москва 2002

Рецензенты : Г.Б. Фалк, профессор Московского государственного института электроники и математики технического университета; А.С. Сидоров, профессор Московского государственного университета печати

В учебном пособии рассмотрены архитектура и принципы функционирования современных систем управления технологическим процессом. Описаны системы управления на базе компьютерной техники общепромышленного типа и для полиграфического производства, основные технические средства автоматизации (датчики, преобразователи сигналов, микроконтроллеры, исполнительные устройства), а также программное обеспечение систем автоматизации и управления.

Щербина Ю.В. Технические средства автоматизации и управления : Учебное пособие; Моск. гос. ун-т печати. М.: МГУП, 2002. 448 с.

© Ю.В. Щербина, 2002
© Оформление. Московский государственный университет печати, 2002

Введение

1. ОСНОВНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ РАЗБИТИЯ АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ КОМПЛЕКСОВ И УПРАВЛЯЮЩИХ СИСТЕМ
1.1. Понятие производственной системы
1.2. Эволюция автоматизированных комплексов и производств
1.3. Гибкие автоматизированные производственные системы
1.4. Комплексная многоуровневая система автоматизации и управления полиграфическим производством

2. СИСТЕМЫ АВТОМАТИЗАЦИИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ НА БАЗЕ КОМПЬЮТЕРНОЙ ТЕХНИКИ
2.1. Структура системы автоматизации на базе компьютерной техники
2.2. Основные функции компьютера или микроконтроллера
2.3. Требования к программному обеспечению
2.4. Объекты управления
2.5. Системы регулирования и методы управления
2.6. Датчики систем управления
2.7. Аналого-цифровые и цифроаналоговые преобразователи
2.8. Примеры реализации промышленных микропроцессорные систем управления производством
2.8.1. Аппаратно-программный комплекс реального времени для намерения характеристик транспортного потока
2.8.2. Комплексная распределенная система управления гидроагрегатами ГЭС

3. МИКРОПРОЦЕССОРНЫЕ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ПЕЧАТНЫМ ПРОЦЕССОМ
3.1. Архитектура микропроцессорных систем управления печатью
3.2. Интегрированные системы управления современными печатными машинами
3.3. Отраслевой формат печатной продукции
3.4. Системы централизованной настройки и управления печатной машины
3.5. Системы ли станционного управления подачей краски и приводкой
3.6. Системы контроля качества печатной продукции

4. ПРИНЦИПЫ РЕАЛИЗАЦИИ ИНФОРМАЦИОННОГО ОБМЕНА В ЛОКАЛЬНЫХ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ СЕТЯХ
4.1. Правила информационного обмена в соответствии с моделью ISO/OSI
4.2. Функции уровней модели ISO/OSI
4.3. Протоколы взаимодействия приложений и протоколы транспортной подсистемы
4.4. Стек TCP/IP
4.5. Методы доступа к среде передачи данных ЛВС
4.6. Протоколы информационного обмена в ЛВС
4.7. Аппаратные средства ЛВС
4.8. Сети Ethernet
4.9. Сеть Token Ring
4.10. Сеть Arcnet
4.11. Сеть FDDI
4.12. Другие высокоскоростные ЛВС
4.13. Корпоративные сети
4.14. Сети промышленной автоматизации

5. МИКРОПРОЦЕССОРНЫЕ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ НА БАЗЕ CAN-СЕТЕЙ
5.1. Основные преимущества CAN-сетей
5.2. Принцип работы CAN-интерфейса в локальных промышленных сетях
5.3. Архитектура действующих протоколов CAN-сетей
5.4. Протокол CAL (CAN Application Layer)
5.5. Протокол CANopen
5.6. Протокол CAN Kingdom
5.7. Протокол DeviceNet
5.8. Протокол SDS (Smart Distributed System)
5.9. Сравнение протоколов. Прочие HLP
5.10. Применение в индустриальных приложениях

ВВЕДЕНИЕ

Технические средства являются наиболее динамичной частью систем автоматизации и управления, обновляемой несравненно быстрее, чем происходит эволюция, например, принципов организации и состава функциональных типовых задач управления. Развитие микропроцессорной элементной базы и ее значительное удешевление послужили предпосылками для массового использования программируемых логических и регулирующих микроконтроллеров.

Объединение микропроцессорных устройств в локальные сети привело к появлению принципиально новых систем с распределенным управлением, имеющих гибкую структуру и обеспечивающих возможность легкого приспособления к требованиям конкретного производства. Использование микропроцессорных систем (промышленных компьютеров), периферийных устройств с развитыми функциями, современной техники коммуникации, такой, например, как волоконно-оптические каналы связи, в системах супервизор-ного контроля, сбора данных и управления привело к появлению «интеллектуальных» технических систем. Примером такой системы является рассмотренная в данном пособии комплексная многоуровневая система автоматизации и управления полиграфическим производством РЕСОМ, разработанная фирмой Man Roland.

Анализ состояния и перспектив развития современных средств автоматизации показывает основные направления их совершенствования:
интеграция отдельных функций сбора, промежуточная обработка и преобразование информации в единых устройствах, построенных на базе цифровых сигнальных процессоров (ЦСП), программируемых логических интегральных схем (ПЛИС), многопроцессорных модулей и модулей удаленного ввода-вывода сигналов;
разработка новых типов различных процессорных плат (полноразмерных, половинных), одноплатных компьютеров (All-in-one) формата 3,5" и 5,25", процессорных плат Compact PCI, обеспечивающих полное соответствие открытой архитектуре РС-совместимого компьютера;
развитие быстродействующих сетевого сбора и обработки сетевой информации на основе CAN-интерфейсов, AS-интерфейсов и последовательных протоколов передачи кодированных сигналов RS-482/485.

Важным аспектом совершенствования САиУ является повышение надежности их функционирования и «живучести» входящих в них устройств с реализацией функции диагностики и протоколирования состояния системы управления в рабочих и нештатных условиях ее работы. Эта задача решается как за счет горячего резервирования каналов передачи данных, так и за счет передачи отдельных функций обработки информации исправным микропроцессорным устройствам. Большое внимание уделяется созданию агрегатных комплексов с объектной ориентацией, способных работать в составе локальных управляющих вычислительных сетей.

В настоящем учебном пособии рассмотрены отдельные вопросы истории развития автоматизированных систем управления, назначение и функции гибких производственных систем. Достаточно подробно освещены системы автоматизации технологических процессов на базе компьютерной техники, рассмотрена их структура, основные функции компьютера и микроконтроллеров, а также роль операционного и прикладного программного обеспечения. В качестве примеров промышленных микропроцессорных систем описан аппаратно-программный комплекс для измерения характеристик транспортного потока и комплексная распределенная система управления гидроагрегатами ГЭС, разработанные НПЦ «Модуль».

В отдельную главу выделено описание микропроцессорной системы управления печатным процессом, в которой освещены вопросы архитектуры микропроцессорных систем управления печатью, интегрированные системы управления современными листовыми печатными машинами, возможности отраслевого формата печатной продукции CIP3. На примере комплексной системы автоматизированного управления печатью фирмы Heidelberg рассмотрены системы централизованной настройки и управления печатной машиной ЦПТроник и системы дистанционного управления подачей краски и приводкой, а также системы управления качеством печатной продукции.

Большое внимание уделено принципам функционирования управляющих локальных вычислительных сетей (LAN) и распределенным системам обработки информации, поступающей от микропроцессорных модулей на базе CAN-сетей. Здесь рассмотрены правила информационного обмена в соответствии с моделью ISO/OSI, функции информационных уровней, протоколы взаимодействия приложений и протоколы транспортной системы, аппаратные средства ЛВС, сети Ethernet, Token Ring, Arcnet и др. Рассмотрены достоинства CAN-сетей, принципы работы. Освещены особенности их архитектуры и даны описания различных протоколов CAN-сетей (CAL, CANopen, CAN Kingdom, DeviceNet и др.).

Описание аппаратных средств содержит данные об аналого-цифровых преобразователях (АЦП), датчиках систем автоматизации и управления, цифровых сигнальных процессорах, цифроаналоговых преобразователях и исполнительных устройствах систем автоматики. Наряду с рассмотрением традиционных вопросов автор пытался привести технические данные современных технических устройств, которые выпускаются фирмами «Motorola», «Honeywell» и др. Эти изделия сейчас активно продвигаются на российском рынке средств промышленной автоматизации такими компаниями, как «Прософт», «Ракурс», «PLC-Systems», «Родник» и др.

Здесь же приведены примеры использования данных устройств при решении некоторых задач автоматического контроля и управления. Эти материалы могут быть полезны при выполнении курсовых работ и в дипломном проектировании.

Дополнительно были включены две главы. В одной из них рассматриваются прикладные программные средства микропроцессорных систем. Хотя вопросы программного обеспечения требуют более подробного рассмотрения, но и здесь их освещение стало необходимым. Организация работы как локальных, так и сетевых систем напрямую связана с особенностями конструкций микропроцессорных устройств и с конкретными возможностями программного обеспечения. В данной работе описаны некоторые средства разработки промышленных микроконтроллеров (например, комплект программного обеспечения LASDK), SCADA-система GENESIS32-6.0, а также прикладное программное обеспечение LabWindowsAAH сбора и обработки данных и другие программные пакеты.

В главе «Микропроцессорные модули удаленного сбора информации и управления» на основании каталогов компаний «Прософт», ИКОС и других описаны микропроцессорные устройства и модули удаленного ввода-вывода фирм Advantech и ICP. Здесь приведены перечни устройств, входящих в семейства ADAM 5000 и ROBO 8000, даны их паспортные данные и описаны примеры реализации распределенных систем сбора информации и управления.

Целью подготовки данной рукописи было единое описание чрезвычайно разнородной и быстро меняющейся номенклатуры устройств и методов построения систем промышленной автоматизации и управления. Поэтому автор уделил повышенное внимание не только самим аппаратным средствам, но и архитектуре, информационному обеспечению и способам построения сетевых управляющих систем.

При подготовке этой работы использовались статьи научных и общетехнических журналов, учебники, справочники, монографии, а также материалы информационных и коммерческих WEB-сайтов Интернета. Список рекомендуемой литературы приведен в конце рукописи. Для удобства читателей он разбит на три раздела. Дополнительно приложен перечень WEB-сайтов по промышленной автоматизации, компьютерной и микропроцессорной технике.

Данное учебное пособие рекомендуется студентам специальности 210100 «Управление и информатика в технических системах» при изучении курса ТСАиУ, а также для использования в курсовом и дипломном проектировании. Кроме того, это учебное пособие может использоваться студентами специальности 170800 «Полиграфические машины и автоматизированные комплексы», а также 281400 «Технология полиграфического производства» при изучении курсов «Управление в технических системах» и «Автоматизация полиграфического производства».

Скачать книгу "Технические средства автоматизации и управления" . Москва, Московский государственный университет печати, 2002

Автоматика - это отрасль науки и техники, охватывающая теорию и принципы построения
систем управления техническими объектами и процессами, действующих без непосредственного участия человека.
Технический объект (станок, двигатель, летательный аппарат, поточная линия, автоматизированный участок, цех и т. д.), нуждающийся в автоматическом или автоматизированном
управлении, называется объектом управления (ОУ) или техническим объектом управления
(ТОУ).
Совокупность ОУ и автоматического управляющего устройства называется системой
автоматического управления (САУ) или автоматизированной системой управления (АСУ).
Ниже приведены наиболее широко используемые термины и их определения:
элемент - простейшая составная часть устройств, приборов и других средств, в которой
осуществляется одно преобразование какой-либо величины;(мы в дальнейшем дадим более
точное определение)
узел - часть прибора, состоящая из нескольких более простых элементов (деталей);
преобразователь - устройство, преобразующее один вид сигнала в другой по форме или виду
энергии;
устройство - совокупность некоторого числа элементов, соединенных между собой
соответствующим образом, служащая для переработки информации;
прибор - общее название широкого класса устройств, предназначенных для измерений,
производственного контроля, вычислений, учета, сбыта и др.;
блок - часть прибора, представляющая собой совокупность функционально объединенных
элементов.

Любая система управления должна выполнять следующие функции:
сбор информации о текущем состоянии технологического объекта
управления (ОУ);
определение критериев качества работы ОУ;
нахождение оптимального режима функционирования ОУ и оптимальных
управляющих воздействий, обеспечивающих экстремум критериев
качества;
реализация найденного оптимального режима на ОУ.
Эти функции могут выполняться обслуживающим персоналом или ТСА.
Различают четыре типа систем управления (СУ):
информационные;
автоматического управления;
централизованного контроля и регулирования;
автоматизированные системы управления технологическими процессами.

В САУ все функции выполняются автоматически
при помощи соответствующих технических
средств.
Функции оператора включают в себя:
- техническую диагностику состояния САУ и
восстановление отказавших элементов системы;
- коррекцию законов регулирования;
- изменение задания;
- переход на ручное управление;
- техническое обслуживание оборудования.

ОПУ - операторский пункт управления;
Д - датчик;
НП - нормирующий преобразователь;
КП - кодирующие и декодирующие
преобразователи;
ЦР - центральные регуляторы;
MP - многоканальное средство
регистрации (печать);
С - устройство сигнализации
предаварийного режима;
МПП - многоканальные показывающие
приборы (дисплеи);
МС - мнемосхема;
ИМ - исполнительный механизм;
РО - регулирующий орган;
К – контроллер.

Автоматизированные системы управления технологическими
процессами (АСУТП) - это машинная система, в которой ТСА
осуществляют получение информации о состоянии объектов,
вычисляют критерии качества, находят оптимальные настройки
управления.
Функции оператора сводятся к анализу полученной информации и
реализации с помощью локальных АСР или дистанционного
управления РО.
Различают следующие типы АСУТП:
- централизованная АСУ ТП (все функции обработки информации и
управления выполняет один компьютер;
- супервизорная АСУТП (имеет ряд локальных АСР, построенных на
базе ТСА индивидуального пользования и центральным
компьютером, имеющим информационную линию связи с
локальными системами) ;
- распределенная АСУТП - характеризуется разделением функций
контроля обработки информации и управления между несколькими
территориально распределенными объектами и компьютерами.

Типовые средства автоматизации могут
быть:
-техническими;
-аппаратными;
-программно-техническими;
- общесистемными.

РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ТСА ПО УРОВНЯМ ИЕРАРХИИ АСУ
Информационно-управляющие вычислительные комплексы (ИУВК)
Централизованные информационные управляющие системы (ЦИУС)
Локальные информационно-управляющие системы (ЛИУС)
Регулирующие устройства и устройства управления (РУ и УУ)
Вторичный
преобразователь (ВП)
Первичный преобразователь (ПП)
Чувствительный элемент (ЧЭ)
Исполнительный
механизм (ИМ)
Рабочий
орган (РО)
ОУ

ИУВК: ЛВС, серверы, ERP-, MES-системы. Здесь реализуются все цели АСУП,
вычисляется себестоимость продукции, издержки на производство.
ЦИУС: промышленные компьютеры, пульты управления, управляющие
комплексы, средства защиты и сигнализации.
ЛИУС: промышленные контроллеры, интеллектуальные контроллеры.
РУ и УУ: микроконтроллеры, регуляторы, регулирующие и сигнализирующие
устройства.
ВП: показывающие, регистрирующие (вольтметры, амперметры,
потенциометры, мосты), интегрирующие счетчики.
ИМ: двигатель, редуктор, электромагниты, электромагнитные муфты и пр.
ЧЭ: датчики тепло-технологических параметров, перемещения, скорости,
ускорения.
РО: механическое устройство, изменяющее количество вещества или
энергии, поступающей на ОУ, и несущее информацию об управляющем
воздействии. РО могут быть вентили, клапаны, нагреватели, затворы,
задвижки, заслонки.
ОУ: механизм, агрегат, процесс.

К техническим средствам автоматизации (ТСА) относят:
датчики;
исполнительные механизмы;
регулирующие органы (РО);
линии связи;
вторичные приборы (показывающие и регистрирующие);
устройства аналогового и цифрового регулирования;
программно-задающие блоки;
устройства логико-командного управления;
модули сбора и первичной обработки данных и контроля состояния
технологического объекта управления (ТОУ);
модули гальванической развязки и нормализации сигналов;
преобразователи сигналов из одной формы в другую;
модули представления данных, индикации, регистрации и выработки сигналов
управления;
буферные запоминающие устройства;
программируемые таймеры;
специализированные вычислительные устройства, устройства допроцессорной
подготовки.

К программно-техническим средствам автоматизации относят:
аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи;
управляющие средства;
блоки многоконтурного, аналогового и аналого-цифрового регулирования;
устройства многосвязного программного логического управления;
программируемые микроконтроллеры;
локально-вычислительные сети.
К общесистемным средствам автоматизации относят:
устройства сопряжения и адаптеры связи;
блоки общей памяти;
магистрали (шины);
устройства общесистемной диагностики;
процессоры прямого доступа для накопления информации;
пульты оператора.

В системах автоматического управления в качестве
сигналов обычно используются электрические и
механические величины (например, постоянный ток,
напряжение, давление сжатого газа или жидкости,
усилие и т.п.), так как они позволяют легко
осуществлять преобразование, сравнение, передачу на
расстояние и хранение информации. В одних случаях
сигналы возникают непосредственно вследствие
протекающих при управлении процессов (изменения
тока, напряжения, температуры, давления, наличия
механических перемещений и т.д.), в других случаях
они вырабатываются чувствительными элементами
или датчиками.

Элементом автоматики называется простейшая конструктивно законченная в
функциональном отношении ячейка (устройство, схема), выполняющая определенную
самостоятельную функцию преобразования сигнала (информации) в системах
автоматического управления:
преобразование контролируемой величины в сигнал, функционально связанный с
информацией об этой величине (чувствительные элементы, датчики);
преобразование сигнала одного рода энергии в сигнал другого рода энергии: электрической
в неэлектрическую, неэлектрической в электрическую, неэлектрической в неэлектрическую
(электромеханические, термоэлектрические, электропневматические, фотоэлектрические и
другие преобразователи);
преобразование сигнала по значению энергии (усилители);
преобразование сигнала по виду, т.е. непрерывного в дискретный или обратно
(аналогоцифровые, цифроаналоговые и другие преобразователи);
преобразование сигнала по форме, т.е. сигнала постоянного тока в сигнал переменного тока
и наоборот (модуляторы, демодуляторы);
функциональное преобразование сигналов (счетно-решающие элементы, функциональные
элементы);
сравнение сигналов и создание командного управляющего сигнала (элементы сравнения,
нуль-органы);
выполнение логических операций с сигналами (логические элементы);
распределение сигналов по различным цепям (распределители, коммутаторы);
хранение сигналов (элементы памяти, накопители);
использование сигналов для воздействия на управляемый процесс (исполнительные
элементы).

Комплексы различных технических устройств и элементов, входящих в состав системы
управления и соединенных электрическими, механическими и другими связями, на
чертежах изображают в виде различных схем:
электрических, гидравлических, пневматических и кинематических.
Схема служит для получения концентрированного и достаточно полного представления о
составе и связях любого устройства или системы.
Согласно Единой системе конструкторской документации (ЕСКД) и ГОСТ 2.701 электрические
схемы подразделяют на структурные, функциональные, принципиальные (полные), схемы
соединений (монтажные), подключения, общие, расположения и объединенные.
Структурная схема служит для определения функциональных частей, их назначения и
взаимосвязей.
Функциональная схема предназначена для определения характера процессов, протекающих
в отдельных функциональных цепях или установке в целом.
Принципиальная схема, показывающая полный состав элементов установки в целом и все
связи между ними, дает основное представление о принципах работы соответствующей
установки.
Монтажная схема иллюстрирует соединение составных частей установки с помощью
проводов, кабелей, трубопроводов.
Схема подключения показывает внешние подключения установки или изделия.
Общая схема служит для определения составных частей комплекса и способов их соединения
на месте эксплуатации.
Объединенная схема включает в себя несколько схем разных видов в целях более ясного
раскрытия содержания и связей элементов установки.

Обозначим через y(t) функцию, описывающую изменение во времени регулируемой
величины, т. е. у(t) - регулируемая величина.
Через g(t) обозначим функцию, характеризующую требуемый закон ее изменения.
Величину g(t) будем называть задающим воздействием.
Тогда основная задача автоматического регулирования сводится к обеспечению равенства
y(t)=g(t). Регулируемая величина y(t) измеряется с помощью датчика Д и поступает на
элемент сравнения (ЭС).
На этот же элемент сравнения от датчика задания (ДЗ) поступает задающее воздействие g(t).
В ЭС величины g(t) и y(t) сравниваются, т. е. из g(t) вычитается у (t). На выходе ЭС
формируется сигнал, равный отклонению регулируемой величины от заданной, т. е. ошибка
∆ = g(t) – y(t). Этот сигнал поступает на усилитель (У) и затем подается на исполнительный
элемент (ИЭ), который и оказывает регулирующее воздействие на объект регулирования
(ОР). Это воздействие будет изменяться до тех пор, пока регулируемая величина у (t) не
станет равна заданной g(t).
На объект регулирования постоянно влияют различные возмущающие воздействия:
нагрузка объекта, внешние факторы и др.
Эти возмущающие воздействия стремятся изменить величину y(t).
Но САР постоянно определяет отклонение y(t) от g(t) и формирует управляющий сигнал,
стремящийся свести это отклонение к нулю.

По выполняемым функциям основные элементы
автоматики делятся на датчики, усилители, стабилизаторы,
реле, распределители, двигатели и другие узлы (генераторы
импульсов, логические элементы, выпрямители и т.д.).
По роду физических процессов, используемых в основе
устройств, элементы автоматики делятся на электрические,
ферромагнитные, электротепловые, электромашинные,
радиоактивные, электронные, ионные и др.

Датчик (измерительный преобразователь, чувствительный элемент) -
устройство, предназначенное для того, чтобы информацию, поступающую
на его вход в виде некоторой физической величины, функционально
преобразовать в другую физическую величину на выходе, более удобную
для воздействия на последующие элементы (блоки).

Усилитель - элемент автоматики, осуществляющий
количественное преобразование (чаще всего усиление)
поступающей на его вход физической величины (тока,
мощности, напряжения, давления и т.п.).

Стабилизатор - элемент автоматики, обеспечивающий постоянство
выходной величины у при колебаниях входной величины х в определенных
пределах.
Реле - элемент автоматики, в котором при достижении входной величины
х определенного значения выходная величина у изменяется скачком.

Распределитель (шаговый искатель) - элемент
автоматики, осуществляющий поочередное подключение
одной величины к ряду цепей.
Исполнительные устройства - электромагниты с втяжным
и поворотным якорями, электромагнитные муфты, а также
электродвигатели, относящиеся к электромеханическим
исполнительным элементам автоматических устройств.
Электродвигатель - это устройство, обеспечивающее
преобразование электрической энергии в механическую и
преодолевающее при этом значительное механическое
сопротивление со стороны перемещаемых устройств.

ОБЩИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ЭЛЕМЕНТОВ АВТОМАТИКИ
Основные понятия и определения
Каждый из элементов характеризуется какими-либо свойствами, которые
определяются соответствующими характеристиками. Некоторые из этих
характеристик являются общими для большинства элементов.
Главной общей характеристикой элементов является коэффициент
преобразования (или коэффициент передачи, представляющий собой
отношение выходной величины элемента у к входной величине х, или
отношение приращения выходной величины ∆у или dy к приращению
входной величины ∆х или dx.
В первом случае К=у/х называется статическим коэффициентом
преобразования, а во втором случае К" = ∆у/∆х≈ dy/dx при ∆х →0 -
динамическим коэффициентом преобразования.
Связь между значениями х и у определяется функциональной
зависимостью; значения коэффициентов К и К" зависят от формы
характеристики элемента или вида функции у =f(х), а также от того, при
каких значениях величин подсчитываются К и К". В большинстве случаев
выходная величина изменяется пропорционально входной и
коэффициенты преобразования равны между собой, т.е. К= К" = const.

Величина, представляющая собой отношение относительного приращения
выходной величины ∆у/у к относительному приращению входной величины
∆х/х, называется относительным коэффициентом преобразования η∆ .
Например, если изменение входной величины на 2 % вызывает изменение
выходной величины на
3 %, то относительный коэффициент преобразования η∆ = 1,5.
Применительно к различным элементам автоматики коэффициенты
преобразования К", К, η∆ и η имеют определенный физический смысл и свое
название. Например, применительно к датчику коэффициент
преобразования называется чувствительностью (статической, динамической,
относительной); желательно, чтобы она была как можно больше. Для
усилителей коэффициент преобразования принято называть коэффициентом
усиления; желательно, чтобы он был также как можно больше. Для
большинства усилителей (в том числе и электрических) величины х и у
являются однородными, и поэтому коэффициент усиления представляет
собой безразмерную величину.

При работе элементов выходная величина у может отклоняться от требуемого
значения за счет изменения их внутренних свойств (износа, старения материалов и
т.п.) или за счет изменения внешних факторов (колебания напряжения питания,
окружающей температуры и др.), при этом происходит изменение характеристики
элемента (кривая у" на рис. 2.1). Это отклонение называется погрешностью, которая
может быть абсолютной и относительной.
Абсолютной погрешностью (ошибкой) называется разность между полученным
значением выходной величины у" и расчетным (желаемым) ее значением ∆у = у"- у.
Относительной погрешностью называется отношение абсолютной погрешности ∆у к
номинальному (расчетному) значению выходной величины у. В процентах
относительная погрешность определяется как γ = ∆ у 100/у.
В зависимости от причин, вызывающих отклонение, различают температурную,
частотную, токовую и другие погрешности.
Иногда пользуются приведенной погрешностью, под которой понимается
отношение абсолютной погрешности к наибольшему значению выходной величины.
В процентах приведенная погрешность
γприв = ∆y 100/уmax
Если абсолютная погрешность постоянна, то приведенная погрешность также
постоянна.
Погрешность, вызванная изменением характеристик элемента со временем,
называется нестабильностью элемента.

Порогом чувствительности называется минимальная
величина на входе элемента, которая вызывает изменение
выходной величины (т.е. уверенно обнаруживается с помощью
данного датчика). Появление порога чувствительности
вызывают как внешние, так и внутренние факторы (трение,
люфты, гистерезис, внутренние шумы, помехи и др.).
При наличии релейных свойств характеристика элемента
может приобретать реверсивный характер. В этом случае она
также обладает порогом чувствительности и зоной
нечувствительности.

Динамический режим работы элементов.
Динамическим режимом называется процесс перехода элементов и систем из одного
установившегося состояния в другое, т.е. такое условие их работы, когда входная величина х, а
следовательно, и выходная величина у изменяются во времени. Процесс изменения величин х и у
начинается с некоторого порогового времени t = tп и может протекать в инерционном и
безинерционном режимах.
При наличии инерционности наблюдается запаздывание изменения у по отношению к изменению
х. Тогда при скачкообразном изменении входной величины от 0 до х0 выходная величина у достигает
установившегося Yуст не сразу, а по истечении промежутка времени, в течение которого происходит
переходный процесс. При этом переходный процесс может быть апериодическим (неколебательным) затухающим или колебательным затухающим.Время tуст(время установления), в течение
которого выходная величина у достигает установившегося значения, зависит от инерционности
элемента, характеризуемой постоянной времени Т.
В простейшем случае установление величины у происходит по показательному закону:
где Т - постоянная времени элемента, зависящая от параметров, связанных с его инерционностью.
Установление выходной величины у тем продолжительнее, чем больше значение Т. Время установления tycт выбирается в зависимости от необходимой точности измерения датчика и составляет
обычно (3... 5) Т, что дает ошибку в динамическом режиме не более 5... 1 %. Степень приближения ∆у
обычно оговаривается и в большинстве случаев составляет от 1 до 10 % от установившегося значения.
Разность между значениями выходной величины в динамическом и статическом режимах называется динамической погрешностью. Желательно, чтобы она была как можно меньше. В электромеханических и электромашинных элементах инерционность в основном определяется механической
инерцией движущихся и вращающихся частей. В электрических элементах инерционность
определяется электромагнитной инерцией или другими подобными факторами. Инерционность
может быть причиной нарушения устойчивой работы элемента или системы в целом.

Технические средства автоматизации (ТСА) предназначены для создания систем, выполняющих заданные технологические операции, в которых человеку отводятся, в основном, функции контроля и управления.

По виду используемой энергии технические средства автоматизации классифицируются на электрические , пневматические , гидравлические и комбинированные . Электронные средства автоматизации выделяют в отдельную группу, так как они, используя электрическую энергию, предназначены для выполнения специальных вычислительных и измерительных функций.

По функциональному назначению технические средства автоматизации можно подразделить в соответствии с типовой схемой системы автоматического регулирования на исполнительные механизмы , усилительные , корректирующие и измерительные устройства , преобразователи, вычислительные и интерфейсные устройства .

Исполнительный элемент - это устройство в системе автоматического регулирования или управления, воздействующее непосредственно или через согласующее устройство на регулирующий элемент или объект системы.

Регулирующий элемент осуществляет изменение режима функционирования управляемого объекта.

Электрический исполнительный элемент с механическим выходом - электродвигатель - применяется в качестве оконечного усилителя механической мощности. Эффект, оказываемый объектом или механической нагрузкой на исполнительный элемент, эквивалентен действию внутренних, или естественных, обратных связей. Такой подход используется в тех случаях, когда необходим детальный структурный анализ свойств и динамических особенностей исполнительных элементов с учетом действия нагрузки. Электрический исполнительный элемент с механическим выходом является составной частью автоматического привода.

Электрический привод - это электрическое исполнительное устройство, преобразующее управляющий сигнал в механическое воздействие с одновременным усилением его по мощности за счет внешнего источника энергии. Привод не имеет специального звена главной обратной связи и представляет собой совокупность усилителя мощности, электрического исполнительного элемента, механической передачи, источника питания и вспомогательных элементов, объединенных определенными функциональными связями. Выходными величинами электрического привода являются линейная или угловая скорость, тяговое усилие или вращающий момент, механическая мощность и т. д. Электрический привод должен располагать соответствующим запасом по мощности, необходимым для воздействия на управляемый объект в форсированном режиме.

Электрический сервомеханизм представляет собой следящий привод, который отрабатывает входной управляющий сигнал с усилением его по мощности. Элементы электрического сервомеханизма охватываются специальными элементами обратной связи и могут иметь внутренние обратные связи за счет нагрузки.

Механическая передача электрического привода или сервомеханизма осуществляет согласование внутреннего механического сопротивления исполнительного элемента с механической нагрузкой - регулирующим органом или объектом управления. К механическим передачам относятся различные редукторы, кривошипно-шатунные, рычажные механизмы и другие кинематические элементы, в том числе передачи с гидравлическими, пневматическими и магнитными опорами.

Электрические источники питания исполнительных элементов, устройств и сервомеханизмов подразделяются на источники с практически бесконечной мощностью, со значением их внутреннего сопротивления, близким к нулю, и источники с ограниченной мощностью со значением внутреннего сопротивления, отличным от нуля.

Пневматические и гидравлические исполнительные устройства - это устройства, в которых в качестве энергоносителя используется соответственно газ и жидкость под определенным давлением. Эти системы занимают прочное место среди других средств автоматизации благодаря своим преимуществам, к которым, в первую очередь, относятся надежность, устойчивость к механическим и электромагнитным воздействиям, высокий коэффициент отношения развиваемой мощности приводов к собственному весу и пожаровзрывобезопасность.

Основная задача исполнительного устройства состоит в том, чтобы усилить сигнал, поступающий на его вход, до уровня мощности, достаточного для того, чтобы оказать требуемое воздействие на объект в соответствии с поставленной целью управления.

Важным фактором при выборе исполнительного элемента является обеспечение заданных показателей качества системы при имеющихся энергетических ресурсах и допустимых перегрузках.

Характеристики исполнительного устройства должны определяться из анализа автоматизируемого процесса. Такого рода характеристиками исполнительных устройств и сервомеханизмов являются энергетические, статические, динамические характеристики, а также технико-экономические и эксплуатационные характеристики.

Обязательным требованием к исполнительному приводу является минимизация мощности двигателя при обеспечении требуемых значений скоростей и моментов. Это приводит к минимизации энергетических затрат. Весьма важными факторами при выборе исполнительного устройства или сервомеханизма являются ограничения по массе, габаритным размерам и надежности.

Важными составляющими систем автоматизации являются усилительные и корректирующие устройства. Общими задачами, решаемыми корректирующими и усилительными устройствами систем автоматики, являются формирование требуемых статической и частотной характеристик, синтез обратных связей, согласование с нагрузкой, обеспечение высокой надежности и унификация устройств.

Усилительные устройства усиливают по мощности сигнал до уровня, необходимого для управления исполнительным устройством.

Особые требования, предъявляемые к корректирующим элементам систем с переменными параметрами - возможность и простота перестройки структуры, программы и параметров корректирующих элементов. Усилительные устройства должны удовлетворять определенным техническим условиям по удельной и максимальной выходной мощности.

По структуре усилительное устройство представляет собой, как правило, многокаскадный усилитель со сложными обратными связями, которые вводятся для улучшения его статических, динамических и эксплуатационных характеристик.

Усилительные устройства, применяемые в системах автоматизации, можно подразделить на две группы:

1) электрические усилители, имеющие электрические источники питания;

2) гидравлические и пневматические усилители, использующие в качестве основного энергоносителя соответственно жидкость или газ.

Источник питания или энергоноситель определяет наиболее существенные особенности усилительных устройств автоматики: статические и динамические характеристики, удельную и максимальную мощность, надежность, эксплуатационные и технико-экономические показатели.

К электрическим усилителям относятся электронные вакуумные, ионные, полупроводниковые, диэлектрические, магнитные, магнитно-полупроводниковые, электромашинные и электромеханические усилители.

Квантовые усилители и генераторы составляют особую подгруппу устройств, используемых в качестве усилителей и преобразователей слабых радиотехнических и других сигналов.

Корректирующие устройства формируют сигналы коррекции статических и динамических характеристик системы.

В зависимости от вида включения в систему линейные корректирующие устройства подразделяются на три типа: последовательные, параллельные корректирующие элементы и корректирующие обратные связи. Использование того или иного типа корректирующих устройств определяется удобством технической реализации и эксплуатационными требованиями.

Корректирующие элементы последовательного типа целесообразно применять, если сигнал, величина которого функционально связана с сигналом ошибки, является немодулированным электрическим сигналом. Синтез последовательного корректирующего устройства в процессе проектирования системы управления наиболее прост.

Корректирующие элементы параллельного типа удобно использовать при формировании сложного закона регулирования с введением интеграла и производных от сигнала ошибки.

Корректирующие обратные связи, охватывающие усилительные или исполнительные устройства, находят наиболее широкое применение благодаря простоте технической реализации. В этом случае на вход элемента обратной связи поступает сигнал сравнительно высокого уровня, например, с выходного каскада усилителя или двигателя. Использование корректирующей обратной связи позволяет уменьшать влияние нелинейностей тех устройств системы, которые ими охватываются, следовательно, в ряде случаев удается улучшить качество процесса регулирования. Корректирующая обратная связь стабилизирует статические коэффициенты охватываемых устройств в условиях действия помех.

В системах автоматического регулирования и управления используются электрические, электромеханические, гидравлические и пневматические корректирующие элементы и устройства. Наиболее просто электрические корректирующие устройства реализуются на пассивных четырехполюсниках, которые состоят из резисторов, конденсаторов и индуктивностей. Сложные электрические корректирующие устройства включают также разделительные и согласующие электронные элементы.

В электромеханические корректирующие устройства, кроме пассивных четырехполюсников, входят тахогенераторы, импеллеры, дифференцирующие и интегрирующие гироскопы. В ряде случаев электромеханическое корректирующее устройство может быть реализовано в виде мостовой схемы, в одну из плеч которой включен электрический двигатель исполнительного устройства.

Гидравлические и пневматические корректирующие устройства могут состоять из специальных гидравлических и пневматических фильтров, включаемых в обратные связи основных элементов системы, или в виде гибких обратных связей по давлению (перепаду давлений), расходу рабочей жидкости, воздуха.

Корректирующие элементы с перестраиваемыми параметрами обеспечивают адаптивность систем. Реализация таких элементов осуществляется с помощью релейных и дискретных устройств, а также ЭВМ. Подобные элементы принято относить к логическим корректирующим элементам.

ЭВМ, функционирующая в реальном масштабе времени в замкнутом контуре управления, имеет практически неограниченные вычислительные и логические возможности. Основной функцией управляющей ЭВМ является вычисление оптимальных управлений и законов, оптимизирующих поведение системы в соответствии с тем или иным критерием качества в процессе ее нормальной эксплуатации. Высокое быстродействие управляющей ЭВМ позволяет, наряду с основной функцией, выполнять целый ряд вспомогательных задач, например, с реализацией сложного линейного или нелинейного цифрового корректирующего фильтра.

При отсутствии ЭВМ в системах наиболее целесообразно применять нелинейные корректирующие устройства как обладающие наибольшими функциональными и логическими возможностями.

Регулирующие устройства представляют собой сочетание исполнительных механизмов, усилительных и корректирующих устройств, преобразователей, а также вычислительных и интерфейсных блоков.

Информация о параметрах объекта управления и о возможных внешних воздействиях, оказывающих на него влияние, поступает на регулирующее устройство от измерительного устройства. Измерительные устройства в общем случае состоят из чувствительных элементов, воспринимающих изменения параметров, по которым производится регулирование или управление процессом, а также из дополнительных преобразователей, часто выполняющих функции усиления сигналов. Вместе с чувствительными элементами эти преобразователи предназначены для преобразования сигналов одной физической природы в другую, соответствующую виду энергии, используемой в системе автоматического регулирования или управления.

В автоматике преобразующими устройствами или преобразователями называют такие элементы, которые непосредственно не выполняют функций измерения регулируемых параметров, усиления сигналов или коррекции свойств системы в целом и не оказывают прямого воздействия на регулирующий орган или управляемый объект. Преобразующие устройства в этом смысле являются промежуточными и выполняют вспомогательные функции, связанные с эквивалентным преобразованием величины одной физической природы в форму, более удобную для формирования регулирующего воздействия или с целью согласования устройств, различающихся по виду энергии на выходе одного и входе другого устройства.

Вычислительные устройства средств автоматизации, как правило, строятся на базе микропроцессорных средств.

Микропроцессор - программно управляемое средство, осуществляющее процесс обработки цифровой информации и управления им, построенное на одной или нескольких интегральных микросхемах.

Основными техническими параметрами микропроцессоров являются разрядность, емкость адресуемой памяти, универсальность, число внутренних регистров, наличие микропрограммного управления, число уровней прерывания, тип стековой памяти и число основных регистров, а также состав программного обеспечения. По разрядности микропроцессоры подразделяются на микропроцессоры с фиксированной разрядностью и модульные микропроцессоры с изменяемой разрядностью слова.

Микропроцессорными средствами называются конструктивно и функционально законченные изделия вычислительной и управляющей техники, построенные в виде или на основе микропроцессорных интегральных микросхем, которые с точки зрения требований к испытаниям, приемке и поставке рассматриваются как единое целое и применяются при построении более сложных микропроцессорных средств или микропроцессорных систем.

Конструктивно микропроцессорные средства выполняются в виде микросхемы, одноплатного изделия, моноблока или типового комплекса, причем изделия нижнего уровня конструктивной иерархии могут использоваться в изделиях высшего уровня.

Микропроцессорные системы - это вычислительные или управляющие системы, построенные на основе микропроцессорных средств, которые могут применяться автономно или встраиваться в управляемый объект. Конструктивно микропроцессорные системы выполняются в виде микросхемы, одноплатного изделия, моноблока комплекса или нескольких изделий указанных типов, встроенных в аппаратуру управляемого объекта или выполненных автономно.

По области применения технические средства автоматизации можно подразделить на технические средства автоматизации работ на промышленных производствах и технические средства автоматизации других работ, важнейшим составляющим которых являются работы в экстремальных условиях, где присутствие человека опасно для жизни или невозможно. В последнем случае автоматизация осуществляется на базе специальных стационарных и мобильных роботов.

Технические средства автоматизации химических производств: Справ. изд./В.С.Балакирев, Л.А.Барский, А.В.Бугров и др.-М.: Химия, 1991. –272 с.

Внедрение на предприятия технических средств, позволяющих автоматизировать производственные процессы, является базовым условием эффективной работы. Разнообразие современных методов автоматизации расширяет спектр их применения, при этом затраты на механизацию, как правило, оправдываются конечным результатом в виде увеличения объемов изготавливаемой продукции, а также повышения ее качества.

Организации, которые идут по пути технологического прогресса, занимают лидирующие места на рынке, обеспечивают более качественные трудовые условия и минимизируют потребность в сырье. По этой причине крупные предприятия уже невозможно представить без осуществления проектов по механизации - исключения касаются лишь мелких ремесленнических производств, где автоматизация производства себя не оправдывает ввиду принципиального выбора в пользу ручного изготовления. Но и в таких случаях возможно частичное включение автоматики на некоторых этапах производства.

Основные сведения об автоматизации

В широком смысле автоматизация предполагает создание таких условий на производстве, которые позволят без участия человека выполнять определенные задачи по изготовлению и выпуску продукции. При этом роль оператора может заключаться в решении наиболее ответственных задач. В зависимости от поставленных целей, автоматизация технологических процессов и производств может быть полной, частичной или комплексной. Выбор конкретной модели определяется сложностью технической модернизации предприятия за счет автоматической начинки.

На заводах и фабриках, где реализована полная автоматизация, обычно механизированным и электронным системам управления передается весь функционал по контролю над производством. Такой подход наиболее рационален, если рабочие режимы не предполагают изменений. В частичном виде автоматизация внедряется на отдельных этапах производства или при механизации автономного технического компонента, не требуя создания сложной инфраструктуры управления всем процессом. Комплексный уровень автоматизации производства обычно реализуется на определенных участках - это может быть отдел, цех, линия и т. д. Оператор в данном случае контролирует саму систему, не затрагивая непосредственный рабочий процесс.

Системы автоматизированного управления

Для начала важно отметить, что такие системы предполагают полный контроль над предприятием, фабрикой или заводом. Их функции могут распространяться на конкретную единицу оборудования, конвейер, цех или производственный участок. В данном случае системы автоматизации технологических процессов принимают и обрабатывают информацию от обслуживаемого объекта и на основе этих данных оказывают корректирующее воздействие. Например, если работа выпускающего комплекса не отвечает параметрам технологических нормативов, система по специальным каналам изменит его рабочие режимы согласно требованиям.

Объекты автоматизации и их параметры

Главной задачей при внедрении средств механизации производства является поддержание качественных параметров работы объекта, что в результате отразится и на характеристиках продукции. На сегодняшний день специалисты стараются не углубляться в сущность технических параметров разных объектов, поскольку теоретически внедрение систем управления возможно на любой составной части производства. Если рассматривать в этом плане основы автоматизации технологических процессов, то в перечень объектов механизации войдут те же цеха, конвейеры, всевозможные аппараты и установки. Можно лишь сравнивать степени сложности внедрения автоматики, которая зависит от уровня и масштаба проекта.

Относительно параметров, с которыми ведут работу автоматические системы, можно выделить входные и выходные показатели. В первом случае это физические характеристики продукции, а также свойства самого объекта. Во втором - это непосредственно качественные показатели готового продукта.

Регулирующие технические средства

Приборы, обеспечивающие регулирование, применяются в системах автоматизации в виде специальных сигнализаторов. В зависимости от назначения они могут отслеживать и управлять различными технологическими параметрами. В частности, автоматизация технологических процессов и производств может включать сигнализаторы температурных показателей, давления, характеристик потока и т. д. Технически приборы могут быть реализованы как бесшкальные устройства с электрическими контактными элементами на выходе.

Принцип работы регулирующих сигнализаторов также различен. Если рассматривать наиболее распространенные температурные устройства, то можно выделить манометрические, ртутные, биметаллические и терморезисторные модели. Конструкционное исполнение, как правило, обуславливается принципом действия, но немалое влияние на него оказывают и условия работы. В зависимости от направления работы предприятия, автоматизация технологических процессов и производств может проектироваться с расчетом на специфические условия эксплуатации. По этой причине и регулирующие приборы разрабатываются с ориентировкой на использование в условиях повышенной влажности, физического давления или на действие химических веществ.

Программируемые системы автоматизации

Качество управления и контроля производственных процессов заметно повысилось на фоне активного снабжения предприятий вычислительными устройствами и микропроцессорами. С точки зрения промышленных нужд возможности программируемых технических средств позволяют не только обеспечивать эффективное управление технологическими процессами, но и автоматизировать проектирование, а также проводить производственные испытания и эксперименты.

Устройства ЭВМ, которые применяются на современных предприятиях, в режиме реального времени решают задачи регулирования и управления технологическими процессами. Такие средства автоматизации производства называются вычислительными комплексами и работают на принципе агрегатирования. Системы включают в состав унифицированные функциональные блоки и модули, из которых можно составлять различные конфигурации и приспосабливать комплекс к работе в определенных условиях.

Агрегаты и механизмы в системах автоматизации

Непосредственное исполнение рабочих операций берут на себя электрические, гидравлические и пневматические устройства. По принципу работы классификация предполагает функциональные и порционные механизмы. В пищевой промышленности обычно реализуются подобные технологии. Автоматизация производства в этом случае предполагает внедрение электрических и пневматических механизмов, конструкции которых могут включать электроприводы и регулирующие органы.

Электродвигатели в системах автоматизации

Основу исполнительных механизмов нередко формируют электромоторы. По типу управления они могут быть представлены в бесконтактном и контактном исполнениях. Агрегаты, которые управляются от релейно-контактных приборов, при манипуляциях оператором могут изменять направление движения рабочих органов, но скорость выполнения операций остается неизменной. Если предполагается автоматизация и механизация технологических процессов с применением бесконтактных устройств, то используют полупроводниковые усилители - электрические или магнитные.

Щиты и пульты управления

Для установки оборудования, которое должно обеспечивать управление и контроль производственного процесса на предприятиях, монтируются специальные пульты и щиты. На них размещают приборы для автоматического управления и регулирования, контрольно-измерительную аппаратуру, защитные механизмы, а также различные элементы коммуникационной инфраструктуры. По конструкции такой щит может представлять собой металлический шкаф или плоскую панель, на которой и устанавливаются средства автоматизации.

Пульт, в свою очередь, является центром для дистанционного управления - это своего рода диспетчерская или операторская зона. Важно отметить, что автоматизация технологических процессов и производств должна предусматривать и доступ к обслуживанию со стороны персонала. Именно эта функция во многом и определяется пультами и щитами, позволяющими вести расчеты, оценивать производственные показатели и в целом отслеживать рабочий процесс.

Проектирование систем автоматизации

Основным документом, который выступает руководством для технологической модернизации производства с целью автоматизации, является схема. На ней отображается структура, параметры и характеристики устройств, которые в дальнейшем выступят средствами автоматической механизации. В стандартном исполнении схема отображает следующие данные:

• уровень (масштаб) автоматизации на конкретном предприятии;
• определение параметров работы объекта, которые должны быть обеспечены средствами контроля и регулирования;
• характеристики управления - полное, дистанционное, операторское;
• возможности блокировки исполнительных механизмов и агрегатов;
• конфигурацию расположения технических средств, в том числе на пультах и щитах.

Вспомогательные средства автоматизации

Несмотря на второстепенную роль, дополнительные устройства обеспечивают важные контрольные и управляющие функции. Благодаря им обеспечивается та самая связь между исполнительными устройствами и человеком. В плане оснащения вспомогательными приборами автоматизация производства может предусматривать кнопочные станции, реле управления, различные переключатели и командные пульты. Существует множество конструкций и разновидностей данных устройств, но все они ориентированы на эргономичное и безопасное управление ключевыми агрегатами на объекте.