Распределенные системы управления (РСУ)

Введение

Стремительное развитие микропроцессорных устройств, нашедших применение в первую очередь в технических системах, изменило содержание принципов управления процессами производства. АСУТП носят характер распределенных территориально и функционально систем управления (РСУ). В качестве узловых станций в них используются промышленные ПЭВМ, программируемые контроллеры, операторские терминалы. Датчики и исполнительные устройства все чаще являются интеллектуальными, то есть осуществляют обработку и преобразование информации в цифровой сигнал в месте их установки.

Распределенные системы управления (РСУ)

Информация в РСУ, как правило, передается по цифровым сетям.

РСУ – система, состоящая из множества устройств, разнесенных в пространстве, каждое из которых не зависит от остальных, но взаимодействует с ними для выполнения общей задачи.

РСУ имеет ряд преимуществ перед сосредоточенной: больше быстродействие благодаря распределению задач между параллельно работающими устройствами, повышенную надежность, улучшенную помехоустойчивость благодаря уменьшению длины линий передачи аналоговых сигналов, меньший объем кабельной продукции.

Анализ сложных РСУ позволяет выделить в них несколько уровней иерархии (рис.). Нижний (полевой) уровень включает датчики и исполнительные устройства, как правило, имеющие цифровой интерфейс, позволяющий передавать информацию по цифровым сетям нижнего уровня (AS – интерфейс, HART – протокол и др.). Второй (контроллерный) уровень состоит из программируемых логических контроллеров с модулями ввода-вывода, которые обмениваются информацией по промышленной сети (Fieldbus). На этом уровне могут использоваться ПЭВМ. Оператор процесса наблюдает за его ходом и осуществляет управление с помощью мнемосхемы на мониторе ПЭВМ (на базе SCADA-системы).

 

Программно–технический комплекс – основа построения РСУ

Развитие современных МП-средств автоматизации и передачи данных дает возможность подходить к построению РСУ комплексно, то есть во многих случаях создавать системы на базе современных схемотехнических решений, технологий системного программирования и дружественных интерфейсов, как для эксплуатационного персонала, так и для участников разработки и проектирования АСУТП.

Таким требованиям отвечают программно-технические комплексы (ПТК), создаваемые рядом фирм (см. главу).

В состав ПТК входит:

1.Семейство современных микропроцессорных контроллеров (ПЛК) различной информационной мощности – от малоканальных регуляторов до ПЛК, обрабатывающих более 1000 входных и выходных сигналов.

2.Персональные компьютеры, используемые как для создания интерфейса «человек-система» для управляющего персонала, так и для обеспечения информационных задач системы.

3.Цифровые сети передачи данных на всех уровнях РСУ, включая сетевое оборудование.

4.Системное программное обеспечение, в том числе операционные системы компьютеров, программное обеспечение ПЛК.

Структура распределенной системы управления

Современное промышленное предприятие невозможно представить без систем автоматизации. Совершенствование этих систем ведет к улучшению качества продукции, уменьшению энергопотребления, минимизации материальных затрат, повышению уровня безопасности и сокращению загрязнения окружающей среды.

В настоящее время широко используется такое понятие как «автоматизированная система управления» (АСУ), работа которой предполагает участие человека. Его роль заключается, прежде всего, в наблюдении за ходом технологического процесса или, более широко — производственного процесса на предприятии. При необходимости человек принимает решения по изменению задач управления, реализация этих решений может быть выполнена как человеком, так и управляющей системой. Отметим, что участие человека в управлении возможно как непосредственно на отдельном участке технологического процесса, так и при организации управления в целом цехом или предприятием.

С увеличением территории, на которой расположен управляемый объект (а, следовательно, и АСУ), с ростом числа датчиков получения информации об объекте и усложнением алгоритмов управления становится более эффективным применение распределенных систем.

Современные системы управления построены на представлении информации о процессе, передаче и обработке этой информации в цифровом виде. Таким образом, основными элементами АСУ являются:

· компьютеры, на базе которых организованы автоматизированные рабочие места персонала; программируемые логические контроллеры (ПЛК), осуществляющие процесс управления.

АРМ руководителей предприятия.

На рис. 1 представлена структура многоуровневой распределенной системы управления. Она является иерархической, то есть нижние уровни подчиняются вышестоящим. Она является распределенной, так как состоит из многих компьютеров и ПЛК, между которыми распределены функции сбора, обработки данных и управления.

Автоматические регуляторы

Автоматический регулятор на входе имеет информацию о текущем и заданном значениях регулируемой величины. Он выполняет следующие функции: вычисление отклонения, т.е. разности между текущим и заданным значениями регулируемой величины; вычисление в зависимости от отклонения управляющего воздействия в соответствии с законом регулирования.

Автоматические регуляторы классифицируются в зависимости от регулируемого параметра, используемой энергии, характера изменения регулирующего воздействия.

Современные регуляторы, как правило, являются универсальными. На их входы подается информация о любой измеряемой величине, преобразованной в унифицированный сигнал. Таким образом, выходной сигнал регулятора не зависит от того, какова регулируемая величина-температура, давление и т.д., однако в некоторых случаях выпускаются промышленные регуляторы для конкретной технологической величины, например, температуры.

В зависимости от источника используемой энергии автоматические регуляторы подразделяются на регуляторы прямого и непрямого действия.

В регуляторах прямого действия одновременно с изменением регулируемой величины от объекта отбирается часть энергии, которая используется для работы регулятора и воздействия на его исполнительный механизм и регулирующий орган объекта. Таким образом, к регулятору энергия извне не подводится.

К регуляторам непрямого действия извне подводится энергия для работы самого регулятора и воздействия на исполнительный механизм.

По характеру изменения регулирующего воздействия автоматические регуляторы подразделяются на линейные и нелинейные.

Линейные регуляторы формируют свой выходной сигнал (регулирующее воздействие) в соответствии с одним из линейных законов регулирования: П- пропорциональный, ПИ - пропорционально-интегральный, ПИД – пропорционально-, интегрально - дифференциальный.

ПИД - регулирование

В общем случае автоматическое поддержание заданного значения (уставки) регулируемой величины происходит в соответствии со схемой показанной на рис.

Рис Схема замкнутой системы регулирования.

В настоящее время подавляющее большинство автоматических регуляторов является цифровыми. Выходной сигнал в них рассчитывается по формуле:

Y_i  1/ X_p [ E_i +1/ t_n* ΣE _i *Δ t_изм+ t_g*Δ E _i /Δ t_изм ]*100%, где

Где: X_p - полоса пропорциональности в пределах которой справедлив П - закон;

E_i - рассогласование;

T _g - постоянная времени дифференцирования;

Δ E _i - разность между двумя соседними измерениями E _i и E _i-1;

Δ t _изм - время между двумя соседними измерениями Т_i и Т_i-1;

t _n - постоянная времени интегрирования;

ΣE _i - накопленная в i-й момент времени сумма рассогласований (интегральная сумма);

Выходные устройства ПИД регулятора могут быть:

· ключевого типа (см. описание работы двухпозиционного регулятора);

· аналогового типа - цифроаналоговый преобразователь, который формирует аналоговый сигнал, так называемую токовую петлю 4-20 мА (пропорциональный выходному сигнальному ре Y_i).

Если выходное устройство ключевого типа - выходной сигнал преобразуется в последовательность управляющих импульсов длительностью D (см. рис.)

D= Y*T_сл /100%

Где: D - длительность импульса, с;

T_сл - период следования импульсов, с;

Y- выходной сигнал регулятора;

Рис Перемещение по (в) регулятором с импульсным выходом совместно с исполнительным механизмом постоянной скорости при различных движений импульса (а, б)

Как видно из рис, при одном переходе Тсл длительность импульса определяется значением выходного сигнала У. Эти импульсы Д передаются на исполнительное устройство регулятора. Такое преобразование выходного сигнала для управления называется шикарно-импульсной модуляции(ШИМ). Выходное устройство ключевого типа включает исполнительный механизм постоянной скорости (ИМПС) на время Д, с. Результирующее перемещение регулирующего органа объекта с помощью ИМПС показанной на рис.

Регулирующий клапан имеет электропривод (электродвигатель ИМа) и две пары контактов для управления направлением его вращения.

Рис Регулятор с выключенными реле (а) и графики регулируемой величины с состояние реле (б).

На рис. а показана связь выходных реле регулятора с электродвигателем ИМа. На рис. б приведен график изменения регулируемой величины относительно T_уст и соответствующие импульсы D управления клапаном. При Т< T_уст подаются импульсы на открытие клапана, при Т> T_уст – на закрытие. Из рис. ясно, что чем больше Т-T_уст , тем больше длительность импульса (ШИМ).

Как видно из рис., при одном периоде T_сл длительность импульса определяется значением выходного сигнала Y. Эти импульсы D передаются на исполнительное устройство регулятора. Такое преобразование выходного сигнала для управления называется, широко-импульсной модуляцией (ШИМ). Выходное устройство ключевого типа включает исполнительный механизм постоянной скорости (ИМПС) на время D, с.

Результирующее перемещение регулирующего органа объекта с помощью ИМПС показано на рис.

Введение

Стремительное развитие микропроцессорных устройств, нашедших применение в первую очередь в технических системах, изменило содержание принципов управления процессами производства. АСУТП носят характер распределенных территориально и функционально систем управления (РСУ). В качестве узловых станций в них используются промышленные ПЭВМ, программируемые контроллеры, операторские терминалы. Датчики и исполнительные устройства все чаще являются интеллектуальными, то есть осуществляют обработку и преобразование информации в цифровой сигнал в месте их установки.

Распределенные системы управления (РСУ)

Информация в РСУ, как правило, передается по цифровым сетям.

РСУ – система, состоящая из множества устройств, разнесенных в пространстве, каждое из которых не зависит от остальных, но взаимодействует с ними для выполнения общей задачи.

РСУ имеет ряд преимуществ перед сосредоточенной: больше быстродействие благодаря распределению задач между параллельно работающими устройствами, повышенную надежность, улучшенную помехоустойчивость благодаря уменьшению длины линий передачи аналоговых сигналов, меньший объем кабельной продукции.

Анализ сложных РСУ позволяет выделить в них несколько уровней иерархии (рис.). Нижний (полевой) уровень включает датчики и исполнительные устройства, как правило, имеющие цифровой интерфейс, позволяющий передавать информацию по цифровым сетям нижнего уровня (AS – интерфейс, HART – протокол и др.). Второй (контроллерный) уровень состоит из программируемых логических контроллеров с модулями ввода-вывода, которые обмениваются информацией по промышленной сети (Fieldbus). На этом уровне могут использоваться ПЭВМ. Оператор процесса наблюдает за его ходом и осуществляет управление с помощью мнемосхемы на мониторе ПЭВМ (на базе SCADA-системы).