Назначение, цели и функции асутп. Классификация асутп. Состав асутп (ивс)

Классификация АСУТП

Современные системы управления ТП можно классифицировать по категориям:

1. Область применения

o АСУ производственного процесса изготовления продукции. Включает автоматизацию конвейеров и приборов, обеспечивающих изготовление составных элементов объекта.

o АСУ зданий. Включает охранно-пожарную сигнализацию, учёт электрической и тепловой энергии, охрану периметра и другие подсистемы здания. АСУ ТП зданий можно разделить:

§ Автоматизация административных зданий

§ Автоматизация жилых зданий

o Автоматизация промышленных сооружений. К этой группе относятся необслуживаемые объекты, в которых необходимо производить учёт внешнего состояния и учёт процессов, протекающих внутри объекта (например, АСУ Котельной)

2. По времени реакции. Все АСУТП могут быть разделены на:

o критические по времени

§ режим мягкого реального времени

§ режим жесткого реального времени (любой отказ приводит к выходу из строя всей системы)

o некритические по времени.

3. АСУТП классифицируются по типу применяемого оборудования

o Цифровое

o Аналоговое

o Цифроаналоговое

4. По принципу управления

o Централизованные

o Децентрализованные

o Распределённая

5. По протоколу связи объектов

o Fieldbus (LonWorks, Modbus, P-NET, EIB, и т.д.)

o Ethernet

o Собственная разработка

6. По фактору обслуживания

o Обслуживаемые

o Необслуживаемые

Состав АСУТП (ИВС)

Под термином «управляемый технологический процесс» понимается такой процесс, для которого определены входные контролируемые воздействия (управляющие, управляемые), установлены детерминированные или вероятностные зависимости между входными воздействиями и выходными параметрами выпускаемого изделия, разработаны методы автоматического измерения входных воздействий и выходных параметров (всех или их части) и методы управления процессом. Таким образом, управляемый технологический процесс представляет собой процесс, в принципе подготовленный для внедрения АСУТП (рис). На рис. приняты обозначения: 1 - ЭВМ; 2 - устройство связи с оператором; 3 - оператор; 4 - устройство сопряжения с объектом; 5,9 - автономные устройства визуального контроля; 6,8 - датчики; 7 - исполнительные органы; 10 - технологический объект управления.

УВК

1 2 3

 

4

 

 

5 6 7 8 9

 

10

Этапность (стадийность) разработки АСУТП. Каналы связи. Информационные характеристики канала Структурные схемы устройства связи с объектом для приема аналоговых сигналов. Структура УСО по выдаче управляющих сигналов

Измерительный канал АСУТП.

АСУТП является информационной системой, содержащей в качестве измерительной подсистемы измерительные каналы (ИК).

Измерительные каналы – это распределенное средство измерения, рассматриваемое как единая неразрывная структура для получения, обработки и представления информации о значении физической величины на основании входного сигнала модели объекта, несущего измерительную информацию.

Фактически ИК – это совокупность датчика и ИК. При этом одни датчик может иметь несколько ИК и один ИК может иметь несколько датчиков.

Любой ИК должен соответствовать методам измерений, а методы измерений регламентируются ГОСТ Р8.563-96.

От качества ИК зависит качество регулирования в АС, качество полученных результатов.

Виды измерительных каналов.

Могут классифицироваться

По измеряемому параметру: По виду подключения:

измерение давления с одного датчика

измерение частоты с нескольких датчиков

измерение температуры с параллельно включенным измерением

измерение сдвига

Измерение потока

Для повышения надежности АСУТП на ОУ может быть установлено дополнительно от 1 до 3 ИК.

Достоверность ИК определяется путем различного контроля:

1. допускового

2. перекрестного

3. теплового

4. функционального

В конечном виде ИК объединяются в общий модуль ПТК (программно-технический комплекс).

К любому ИК имеется собственный алгоритм обработки входного значения.

Общая схема систем

На выходе ИК могут находиться «сырой код» либо обработанное значение.

«Сырой код» - это значение, представляющее физическую величину в условных единицах, т.е. это оцифрованное аналоговое значение без учета плавающей части и масштаба параметров.

Обработанное значение – это значение, полученное по результатам расчета и представленное в единицах напряжения.

Параллельные АЦП

АЦП этого типа осуществляют квантование сигнала одновременно с помощью набора компараторов, включенных параллельно источнику входного сигнала. Благодаря одновременной работе компараторов параллельный АЦП является самым быстрым. Недостатком схемы является высокая сложность. Следствием этого является высокая стоимость и значительная потребляемая мощность.

Последовательные АЦП

Последовательный АЦП с единичными приближениями состоит из компаратора, счетчика и ЦАП

Работа преобразователя начинается с прихода импульса запуска, который включает счетчик, суммирующий число импульсов, поступающих от генератора тактовых импульсов ГТИ. Выходной код счетчика подается на ЦАП, осуществляющий его преобразование в напряжение обратной связи Uос. Процесс преобразования продолжается до тех пор, пока напряжение обратной связи сравняется с входным напряжением и переключится компаратор, который своим выходным сигналом прекратит поступление тактовых импульсов на счетчик. Переход выхода компаратора из 1 в 0 означает завершение процесса преобразования. Выходной код, пропорциональный входному напряжению в момент окончания преобразования, считывается с выхода счетчика.

Особенностью АЦП последовательного счета является небольшая частота дискретизации, достигающая нескольких килогерц. Достоинством АЦП данного класса является сравнительная простота построения, определяемая последовательным характером выполнения процесса преобразования.

Интегрирующие АЦП

Недостатком рассмотренных выше последовательных АЦП является низкая помехоустойчивость результатов преобразования. Выборка мгновенного значения входного напряжения, обычно включает слагаемое в виде мгновенного значения помехи. Впоследствии при цифровой обработке последовательности выборок эта составляющая может быть подавлена, однако на это требуется время и вычислительные ресурсы. В интегрирующих АЦП входной сигнал интегрируется либо непрерывно, либо на определенном временном интервале, длительность которого обычно выбирается кратной периоду помехи. Это позволяет во многих случаях подавить помеху еще на этапе преобразования. Платой за это является пониженное быстродействие интегрирующих АЦП.

Цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) предназначен для преобразования числа, определенного, как правило, в виде двоичного кода, в напряжение или ток, пропорциональные значению цифрового кода.

ЦАП на источниках тока

ЦАП на источниках тока обладают более высокой точностью. В отличие от (ЦАП на МОП ключах), в котором весовые токи формируются резисторами сравнительно небольшого сопротивления и, как следствие, зависят от сопротивления ключей и нагрузки, в данном случае весовые токи обеспечиваются транзисторными источниками тока, имеющими высокое динамическое сопротивление. В качестве переключателей тока часто используются биполярные дифференциальные каскады, в которых транзисторы работают в активном режиме. Это позволяет сократить время установления до единиц наносекунд.

Классификация помех

По происхождению:

1. естественные помехи (атмосферные, космические). Это помехи, обусловленные электрическими процессами, происходящими в атмосфере. Естественные помехи возникают также вследствие осадков (чем сильнее дождь, тем уровень помех больше). 2. искусственные помехи – помехи, созданные индустрией вследствие применения различных передатчиков.

a) Преднамеренные – созданные с помощью специальных устройств с целью гашения передаваемого сигнала. Используются в военной технике и шпионаже. При преднамеренной помехе амплитуда помехи должна быть равна амплитуде полезного сигнала, и по возможности фаза. Сигнал помехи должен передаваться на той же частоте, что и полезный. В зависимости от соотношения полос передатчиков помех и приемника радиостанции эти помехи делят еще на 2 группы:

- заградительные - задача – обеспечить передачу сигнала только узко заданной области;

- прицельные – задача – влияние на сигналы других передатчиков.

b) Непреднамеренные помехи возникают вследствие работы оборудования, выполняющего другие задачи. Для снижения этих помех используется заземление кабеля, применяются фильтры.

Способы борьбы с помехами.

Нужны для обеспечения качества передаваемой информации, измеренной на объекте управления и передаваемой на узел хранения и обработки.

1. Программные

2. Программно-аппаратные

Программные способы

К программным относят механизмы достоверности доставляемых данных, которые заключаются в том, что при получении информационного пакета производится проверка контрольных стоповых битов и контрольной суммы. Система является жизнеспособной, если из битов 1 неправильный (искаженный).

Средства программной защиты реализуются:

1. На уровне протокола передачи данных

2. с помощью специального ПО, обеспечивающего взаимодействие с ОУ. К ним относятся продукты ИИС. Они производят оценку измерения, позволяют производить фильтрацию усиленных сигналов.

Функции Уолша

Для нормированных функций Уолша принято обозначение wal(n, ), где n - номер функции, а  находится в интервале 0  <1. Обычно рассматривается множество функций Уолша wal(n, ) при n =0,1,..., N -1, где N =2 ⁱ и i =1,2,3,...

Функции Уолша различают по их порядку и рангу. Под порядком понимают максимальный из содержащих единицу номеров разрядов при двоичном представлении числа n, рангом называют число единиц в двоичном выражении n. Например, порядок и ранг функции wal(5, ) равны соответственно 3 и 2, так как двоичным выражением числа 5 является 101. Функции Уолша могут быть упорядочены по Уолшу. Имеется упорядочивание функций Уолша по Пэли.

Свойство симметрии: W_a (j / N) = W_j (a / N).

Система Уолша-Пэли. Масштабирование данных.

Во многих автоматизированных устройствах используются табличные данные. Одним из методов может быть метод сжатия табличной информации за счет ее спектрального разложения в некотором функциональном базисе. Более выгодным является использование для разложения базиса Уолша, так как для гладких функций коэффициенты разложения Уолша быстрее стремятся к нулю. Это допускает большую степень сжатия информации в базисе Уолша. Возможность сжатия информ. появляется, если число коэффициентов спектра можно сделать меньше числа N. Например, когда часть коэффициентов спектра равна нулю или близка к нему. Возможность сжатия информации и степень ее сжатия зависят как от самого ряда чисел, так и от набора функций, составляющих базис спектрального разложения C_a. Поскольку ряд чисел Х_k нам задан, то управлять степенью сжатия мы можем, изменяя базис спектрального разложения.

Функции Радемахера: R₀ (z) = 1, R_k (z) = sign (sin (2 ^k p z)), k = 1,2,…,

Наиболее интересной в плане сжатия информации является система функций Уолша-Пэли. Образование этой системы тесно связано с двоичными номерами составляющих ее функций. Конкретно, функция Уолша-Пэли с номером a есть произведение функций Радемахера с номерами тех двоичных разрядов a, в которых расположены 1. Если записать номер a в двоичном представлении с n = log N разрядами a = S _k 2^k-1 a_k, то функции системы Уолша-Пэли можно представить так: W_a (z) = P_k [ R_a (z)] ^ak.

Для проблемы сжатия исходной информации важна скорость убывания коэффициентов C_a разложения в базисе Уолша при росте номера a. Если функция, представляемая рядом (1), обладает непрерывной производной до m -го порядка, и максимальное значение модуля производной | X ^(m)| есть М, то коэффициенты спектра с номерами a, ранг которых не меньше порядка производной (r ³ m), удовлетворяет неравенству |C _a (r ³ m)|< M / 2 ^{m ( m +3)/2}.

Именно это важное неравенство гарантирует быструю сходимость спектральных коэффициентов C_a с ростом номера a и открывает перспективы сжатия табличной информации. Действительно, ранг r функции Уолша увеличивается с ростом номера функции a так, что условие r ³ m выполняется для больших номеров a. Это значит, что оценка действует для финальных коэффициентов разложения. Чем меньше степень функции, которая порождает ряд чисел (l), тем большей степени сжатия можно достичь при разложении. Если ряд короткий, а степень велика, то сжатие вообще не достигается. Если при той же степени функции увеличивать число членов ряда и, следовательно, число коэффициентов спектра, то степень сжатия растет.

6.Классификация информационных сигналов. Сигналы. Модели процессов, аналитически представляющих сигнал. Аналитическое описание сигналов.

Результаты обработки информации существенно зависят от выбора рациональной модели анализируемого сигнала.

В зависимости от априорной информации о сигналах используются либо детерминированные, либо стохастические модели. Первые модели сигналов выражаются аналитическим описанием непосредственно самого изучаемого колебания (или функции), а вторые - описываются теми или иными вероятностными характеристиками и используются при анализе случайных процессов.

Обычно в качестве детерминированных моделей используются следующие элементарные колебания:  -импульс, функция включения (скачок) s (t)=1(t), треугольный импульс, гармонические функции sin (t), cos (t), отрезок гармонической функции, экспоненциальная функция exp (t), комплексно-экспоненциальная функция exp (jt), функция sin (t)/ t и другие. Детерминированные модели сигналов более сложного вида могут быть сформированы из элементарных путем линейных комбинаций.

Одна из важных характеристик случайного процесса - это его частотная полоса. По этому признаку случайные процессы можно условно разделить на узкополосные и широкополосные.

Чаще всего сигналы рассматривают как функции, заданные в определенных физических координатах. В этом смысле различают одномерные (например, зависящие от времени), двумерные, заданные на плоскости (примером могут служить различного рода изображения), трехмерные (характеризующие, например, пространственные объекты) сигналы. Математически такие сигналы описываются соответственно функциями одной, двух и трех переменных. Удобно применять и более сложные модели - комплексные и векторные функции.

Реальные сигналы всегда являются функциями с ограниченным интервалом определения. Так одномерный сигнал, с ограниченным интервалом определения можно записать в виде x (t), t [ t_min, t_max ], где t_min и t_max - соответственно нижняя и верхняя границы интервала определения.

Если t_min и t_max - величины одного знака, то интервал определения будет односторонним, в противном случае интервал называется двусторонним. При t_min = - t_max интервал называется симметричным. Наряду с ограниченными по области определения сигналами в теории ИВС рассматриваются также сигналы, заданные на полубесконечном и бесконечном интервалах.

Сигнал называется каузальным, если он имеет начало во времени. Все реальные сигналы являются каузальными.

Сигнал называется периодическим, если любое его значение повторяется через интервалы, равные периоду. Финитным называется сигнал, равный нулю вне некоторого ограниченного интервала его определения. Все реальные сигналы могут рассматриваться как финитные.

Непериодическим детерминированным сигналом называется любой детерминированный сигнал, для которого не выполняется условие: x (t) = x (t + kT), где период T является конечным отрезком, а k - любое целое число. Как правило, непериодический сигнал ограничен во времени. (прим. – импульсы, пачки импульсов, обрывки гармонических колебаний).

Квазидетерминированный сигнал - это сигнал, закон изменения которого известен, но один или несколько параметров этого закона являются случайными величинами или процессами.

В зависимости от формы представления сигналы могут быть непрерывными, квантованными по уровню, дискретными и цифровыми

Формы представления сигнала

Множество значений	Наименование	Изображение
времени {t}	сигнала {x}
Непрерывное	Непрерывное	Непрерывный (аналоговый, континуальный)
Непрерывное	Дискретное	Квантованный по уровню (ступенчатая функция)
Дискретное	Непрерывное	Дискретный (решетчатая функция, последовательность вещественных чисел)
Дискретное	Дискретное	Цифровой (последовательность целых чисел

По характеру протекания во времени сигналы разделяются на два вида:

- постоянные во времени; -переменные во времени.

Переменные во времени - это сигналы, значение которых изменяется во времени.

Сигнал называется случайным, если его значение в каждый момент времени есть случайная величина.

Случайные сигналы делятся на: стационарные и нестационарные. У стационарных сигналов вероятностные характеристики не зависят от времени (постоянны). Стационарные сигналы, для которых вероятностные характеристики не зависят от способа усреднения (по времени и ансамблю) называются эргодическими.

Все случайные сигналы в итоге классифицируются по виду закона распределения плотности вероятности, который является полной и исчерпывающей характеристикой любого случайного сигнала.

Оценка погрешности.

X – точное значение

X’ – приближенное значение

D = X’ – X - абсолютная погрешность

E = (X’ – X)/X’ - относительная погрешность

Погрешности в цифровой системе управления.

Цифровые вычислительные машины, выполняющие функции управляющих звеньев сложных систем, получают информацию о различных возмущающих воздействиях, а также о состоянии системы в текущий момент времени и вырабатывает сигналы управления объектами системы и системой в целом. Эти сигналы вырабатываются с некоторой погрешностью, которая в конечном итоге сказывается на показателях качества управления системы.

Одним из основных критериев качества ЦСУ является точность выработки управляющего воздействия. Данный параметр указывается в техническом задании на разработку ЦСУ. Для обеспечения заданной точности на выходе системы управления необходимо учитывать все источники возникновения ошибок в ЦСУ и оценивать меру влияния каждой из ошибок на выходную величину.

Погрешности при анализе целесообразно подразделить в зависимости от порождающих факторов и особенностей проявления на погрешности аппроксимации, трансформированные, вычислительные и параметрические. Погрешность аппроксимаций, возникающая в результате замены исходной функции аппроксимирующей функцией и перехода к дискретному времени. Трансформированные погрешности обусловлены влиянием погрешностей квантования составляющих вектора входных данных при аналого-цифровом преобразовании. Вычислительные погрешности реализации алгоритма определяются суммарным влиянием погрешностей округления на точность окончательных результатов вычислений. Параметрические погрешности связаны с погрешностями квантования констант вычислительных алгоритмов. Погрешности аппроксимации, трансформированные, вычислительные и параметрические определяют точностные характеристики ЦСУ. Однако погрешности аппроксимации связаны с предварительным преобразованием алгоритма и зависят от технических характеристик системы косвенным образом, а все остальные погрешности непосредственно определяются параметрами системы.

Назначение, цели и функции АСУТП. Классификация АСУТП. Состав АСУТП (ИВС)

Назначение любой АСУ определяются тем объектом, для которого создается данная система. Для АСУТП управляемым объектом является технологический объект управления (ТОУ), представляющий собой совокупность технологического оборудования и реализованного на нем по соответствующим инструкциям или регламентам технологического процесса производства целевого продукта.

Управляя ТОУ, АСУТП воздействует непосредственно на те или иные элементы оборудования: дроссельные и отсечные клапаны, задвижки и т.п.

При разработке АСУТП важно правильно выделить объект управления из общей производственно-технологической структуры предприятия.

Назначение АСУТП обычно можно определить как целенаправленное ведение технологического процесса и обеспечение смежных и вышестоящих систем управления необходимой информацией. В ряде случаев, когда функционирование новых сверхмощных объектов без современной АСУ оказывается практически невозможным, назначением такой системы является достижение реализуемости и устойчивости технологического процесса при высокоинтенсивных и экономичных режимах использования оборудования.

После определения назначения АСУТП необходимо четко конкретизировать цели функционирования системы. Примерами таких целей для промышленных технологических объектов могут служить: обеспечение безопасности его функционирования; стабилизация параметров входных потоков; получение заданных параметров выходных продуктов; оптимизация режима работы объекта; согласование режимов работы оборудования.

Степень достижения поставленных целей принято характеризовать с помощью критерия управления, т.е. показателя, достаточно полно характеризующего качество ведения технологического процесса и принимающего числовые значения в зависимости от вырабатываемых системой управляющих воздействий.

Не меньшую роль, чем критерий, играют ограничения, которые должны соблюдаться при выборе управляющих воздействий. Ограничения бывают двух видов: физические, которые не могут быть нарушены даже при неправильном выборе управляющего воздействия, и условные, которые могут быть нарушены, но нарушение приводит к значительному ущербу, не учитываемому критерием.

Функция АСУТП - это совокупность действий системы, направленных на достижение частной цели управления.

Принято различать информационные и управляющие функции АСУТП.

К информационным относятся такие функции АСУТП, результатом выполнения которых являются представление оператору системы или какому-либо внешнему получателю информации о ходе управляемого процесса.

Характерными примерами информационных функций АСУТП являются:

- контроль основных параметров, т.е. непрерывная проверка соответствия параметров процесса допустимым значениям и немедленное информирование персонала при возникновении несоответствий;

- информирование оператора (по его запросу) о производственной ситуации на том или ином участке объекта управления в данный момент;

Управляющие функции АСУТП включают в себя действия по выработке и реализации управляющих воздействий на объект управления. Здесь под выработкой понимается определение (на основании полученной информации) рациональных воздействий, а под реализацией - действия, обеспечивающие осуществление принятых после выработки решений.

К основным управляющим функциям относятся:

- стабилизация переменных технологического процесса на некоторых постоянных значениях, определяемых регламентом производства;

- программное изменение режима процесса по заранее заданным законам;

- защита оборудования от аварий;

Перечень всех функций, выполняемых конкретной АСУТП (т.е. ее функциональный состав), характеризует внешние, потребительские возможности данной системы.

Классификация АСУТП

Современные системы управления ТП можно классифицировать по категориям:

1. Область применения

o АСУ производственного процесса изготовления продукции. Включает автоматизацию конвейеров и приборов, обеспечивающих изготовление составных элементов объекта.

o АСУ зданий. Включает охранно-пожарную сигнализацию, учёт электрической и тепловой энергии, охрану периметра и другие подсистемы здания. АСУ ТП зданий можно разделить:

§ Автоматизация административных зданий

§ Автоматизация жилых зданий

o Автоматизация промышленных сооружений. К этой группе относятся необслуживаемые объекты, в которых необходимо производить учёт внешнего состояния и учёт процессов, протекающих внутри объекта (например, АСУ Котельной)

2. По времени реакции. Все АСУТП могут быть разделены на:

o критические по времени

§ режим мягкого реального времени

§ режим жесткого реального времени (любой отказ приводит к выходу из строя всей системы)

o некритические по времени.

3. АСУТП классифицируются по типу применяемого оборудования

o Цифровое

o Аналоговое

o Цифроаналоговое

4. По принципу управления

o Централизованные

o Децентрализованные

o Распределённая

5. По протоколу связи объектов

o Fieldbus (LonWorks, Modbus, P-NET, EIB, и т.д.)

o Ethernet

o Собственная разработка

6. По фактору обслуживания

o Обслуживаемые

o Необслуживаемые

Состав АСУТП (ИВС)

Под термином «управляемый технологический процесс» понимается такой процесс, для которого определены входные контролируемые воздействия (управляющие, управляемые), установлены детерминированные или вероятностные зависимости между входными воздействиями и выходными параметрами выпускаемого изделия, разработаны методы автоматического измерения входных воздействий и выходных параметров (всех или их части) и методы управления процессом. Таким образом, управляемый технологический процесс представляет собой процесс, в принципе подготовленный для внедрения АСУТП (рис). На рис. приняты обозначения: 1 - ЭВМ; 2 - устройство связи с оператором; 3 - оператор; 4 - устройство сопряжения с объектом; 5,9 - автономные устройства визуального контроля; 6,8 - датчики; 7 - исполнительные органы; 10 - технологический объект управления.

УВК

1 2 3

 

4

 

 

5 6 7 8 9

 

10

Этапность (стадийность) разработки АСУТП. Каналы связи. Информационные характеристики канала Структурные схемы устройства связи с объектом для приема аналоговых сигналов. Структура УСО по выдаче управляющих сигналов