Техническое обеспечение АИУС

Техническое обеспечение АИУС

Общие сведения о техническом обеспечении

 

Техническое обеспечение АИУС — это комплекс технических средств, предназначенный для реализации функций АИУС. Весь этот комплекс технических средств (КТС) АИУС можно классифицировать по нескольким признакам:

I. По функциональному назначению можно разделить на четыре группы устройств:

1) Устройства для получения информации.

2) Устройства для приема, преобразования и передачи информации по каналам связи (устройства сопряжения с объектом УСО).

3) Устройства для хранения и обработки информации, и в том числе для формирования управляющих воздействий (команд).

4) Устройства для использования командной информации в целях воздействия на объект, а также устройства связи с объектом.

В 1-ю группу входят: датчики, измерительные преобразователи, нормирующие преобразователи, устройства формирования алфавитно-цифровой информации.

Во 2-ю группу входят: модуляторы, шифраторы, усилители, коммутаторы, АЦП, ЦАП, демодуляторы, дешифраторы и т.д.

В 3-ю группу входят: функциональные преобразователи, регуляторы, анализаторы, процессоры, запоминающие устройства различного вида, микроконтроллеры, интерфейсы и т.д.

В 4-ю группу входят: усилители мощности, исполнительные устройства, исполнительные механизмы, регулирующие органы для газообразных и жидких и сыпучих сред, а также для энергопотоков.

II. В качестве второго признака классификации устройств в техническом обеспечении АИУС выступает такой признак, как род вспомогательной энергии, используемой в качестве носителя информации. По этому признаку все устройства можно разделить на:

1) Электрические.

2) Пневматические.

3) Гидравлические.

4) Прямого действия.

Устройства, использующие при эксплуатации вспомогательную энергию одного рода, образуют единую структурную группу государственной системы приборов (ГСП) или ветвь ГСП.

В АИУС различного вида наибольшее распространение получили приборы электрической ветви, т.к. такой род вспомогательной энергии позволяет обеспечить высокое быстродействие, точность, большую дальность связи, технологичность изготовления, малое энергопотребление и малые габариты.

Приборы пневматической ветви характеризуется безопасностью применения в легковоспламеняющихся и взрывоопасных средах, а также характеризуется высокой надежностью в условиях агрессивных сред. Поэтому пневматические приборы применяются в отдельных АИУС, несмотря на сравнительно низкое быстродействие и незначительное допустимое расстояние передачи сигналов (до 300 м).

Структура, принципы организации подсистемы УСО для вывода информации на дискретные исполнительные устройства

 

Устройство данной подсистемы должно получать из центральной части АИУС коды управляющих воздействий и адресов, фиксировать их на заданное время и передавать в соответствии с заданным адресом на соответствующее исполнительное устройство объекта.

Общая структура подсистемы для вывода дискретных сигналов следующа Рис. 5.4.3.1. Структура подсистемы УСО для выбора информации на дискретные ИУ.

 

Обозначения:

М - мощное исполнительное устройство (ИУ);

ММ - маломощное ИУ;

МКБ - модуль ключей бесконтактный;

МКК - модуль ключей контактный.

Алгоритм работы:

Из центральной части АИУС через интерфейс передается в УУиА код адреса соответствующего регистра и коды управляющих сигналов. Тот регистр, адрес которого задан в УУиА, открывается для записи информации с шины данных из интерфейса и в результате этот код будет записан в соответствующие разряды данного регистра, а далее состояние соответствующих разрядов регистра определяет состояние ключей, а, следовательно, новое состояние исполнительных устройств.

Мезонинная технология УМАК

 

Наглядным воплощением идеи мезонинных технологий является встраиваемый одноплатный компьютер MVME 162 фирмы Motorola.

Особенностью этого мощного объектно-программируемого контроллера ОПК является возможность широкого выбора требуемых характеристик и функциональных частей за счет использования стандартных мезонинных технологий ввода/вывода.

Мезонинная технология подразумевает наличие 1) специальной локальной шины на плате - носителе с процессором и без него и 2) набора функциональных мезонинных (мезонин – плата, встраиваемая в основную плату (носитель) и располагающаяся параллельно плате - носителя) модулей расширения. Каждый современный мезонинный модуль имеет небольшие размеры и два разъема. Один разъем служит для подключения к локальной шине платы-носителя, а атрибуты другого определяются функциональной принадлежностью платы. На таких платах можно разместить многоканальный 16-разрядный АЦП, 40 каналов ввода/вывода, многоканальный интерфейс RS 232С/422/485, модуль ОЗУ и ПЗУ, математический сопроцессор и т. д.

Сейчас известны около 10 разновидностей мезонинных технологий, и наиболее популярны модули фирмы Industry Pack (IP-контроллеры). Их более 235 модулей. Платы-носители модулей IP существуют практически для всех магистрально-модульных интерфейсов: VME bus, PCI, ISA и т. д.

Компоненты одноплатного компьютера собранного из стандартных модулей IP: процессор (MVME 162 Motorola), ОЗУ, FLASH (1-2 Mb) ППЗУ, Ethernet, VME интерфейс, набор таймеров и т. д.

Как правило, вместе с мезонинными платами поставляются драйверы операционных систем, которые обычно работают на платах-носителях:

·  ОС реального времени OS9, VxWorks и т. д.;

·  традиционные MS DOS, Windows, Unix и т. д.

Функциональное ПО

 

ФПО – это программы ЦСОИ реализующие задачи СУ под управления ОСРВ или монитора.

Среди этих программ можно выделить такие, которые реализуют так называемые типовые функции, например:

· сбор и первичная обработка сигналов с датчиков;

· регулирование параметров по типовым законам;

Такие программы называются типовыми и их не нужно разрабатывать «с нуля», то есть можно либо использовать без изменения уже существующие разработки, либо доработать их.

Ряд алгоритмов данной конкретной АИУС могут быть специфичными (оригинальными) и поэтому для их реализации работы по созданию программ нужно вести в полном объёме, т.е. начиная с алгоритма и кончая отладкой программы и апробацией её в действующей АСУТО. Это так называемые специальные или оригинальные программы (рис. 6.1.1, рис.6.1.2).

Технологии создания ФПО

 

Инструментальные средства и технологии программирования ЦСОИ АИУС зависят от аппаратных средств АСУ ТС. С этой точки зрения технологии создания ФПО можно разделить на следующие виды:

· Программирование одноплатных ОПК на базе однокристальных микроконтроллеров, на языке АSSEMBLER с применением универсальных инструментальных средств;

· Программирование СТК (например, Ремиконт Р-130) со встроенными инструментальными средствами;

· Программирование универсальных ПШП контроллеров и компьютеров с применением универсальных инструментальных средств, в том числе и с применением элементов CASE – технологии (например: инструментальная система Ultralogic);

· Программирование ОПК и компьютеров с помощью SCADA – систем.

Программирование СТК

 

Программирование СТК осуществляется на самом СТК, с помощью специальных пультов и фактически сводится к объединению готовых программ (или модулей), находящихся в ПЗУ, в одну общую программу, размещаемую в ОЗУ с помощью специальных процедур кодирования, конфигурирования и выбора параметров.

Например: средства программирования СТК Ремиконт Р-130 включают:

1) Пульт настройки, с помощью которого реализуется программирование (конфигурирование и выбор параметров).

2) Библиотеку программ, размещенных в ПЗУ и недоступными для корректировки пользователем.

3) Алгоблоки (структурированные части ОЗУ), в которые с помощью пульта настройки и заносятся программы из библиотеки в процессе программирования.

Этапы ТЗ

1.1- Предварительное обследование втоматизируемого технического объекта

1.2- Предпроект (научно- исследовательские работы)

1.3- Эскизная разработка АИУС

1.4- Разработка технического задания на создание АИУС (задание на проектирование).

 

1.1. Обследование:

1. Изучается и анализируется действующий объект и действующая система управления (а для новых объектов - аналоги).

2. Выявляются существующие недостатки, приводящие к уменьшению эффективности производства, а также определяются причины этих недостатков.

3. Выясняется технология и уровень автоматизации техн.процесса, организационная структура, организация оперативного управления.

4. Формируется укрупненный перечень функций и задач АС.

5. Собирается материал для расчета экономической эффективности.

6. Собирается материал для выбора технических средств.

1.2. Предпроект НИР:

1. Анализ техн. объекта - как объекта управления

2. Анализ информационных потоков, формирование критерия управления и ограничений.

3. Разработка предварительных математических моделей техн. процесса.

4. Предварительная идентификация моделей по экспериментальным данным.

5. Предварительный выбор методов синтеза алгоритмов контроля и управления.

1.3. Эскизная разработка АИУСС:

1. Предварительная разработка функционально- алгоритмической структуры системы.

2. Предварительный синтез основных алгоритмов контроля и управления и их экспериментальная проверка

3. Предварительный выбор технических средств системы и его обоснования.

4. Предварительное определение задач по модернизации технического оборудования.

1.4. Разработка Т.З.:

1. Разработка полного перечня функциональных задач АИУС.

2. Разработка технико-экономического обоснования.

3. Разработка плана графика работ по созданию системы.

 

Этапы технического проекта.

2.1 Системотехнический синтез АИУС.

2.2 Аппаратурно-технический синтез АИУС.

2.3 Составление Т.З. на разработку новых средств автоматизации (если необходимо!): датчиков, исполнительных устройств и т. д.

2.4 Разработка Т.З. на оперативно-диспетчерское оборудование, не выпускаемое серийно.

2.5 Разработка сметы затрат на создание АИУС.

2.6 Расчет ожидаемой технико-экономической эффективности АИУС.

2.7 Сравнительный анализ разрабатываемой АИУС и её известных аналогов.

2.8  Проектирование специального математического и информационного обеспечения АИУС.

Этапы рабочего проекта.

3.1 Разработка рабочей документации на системы локальной автоматики (если необходимо).

3.2 Составление заказных спецификаций на:

3.2.1 Цифровые средства обработки информации и управления, оргтехнику.

3.2.2 Приборы и средства автоматизации.

3.2.3 Электроаппаратуру.

3.2.4 Кабели и провода.

3.2.5 Трубопроводную арматуру и т. д.

3.3 Разработка рабочей документации на ЦСОИ АИУС.

3.4 Подготовка рабочей документации, технического описания и регламента работы АИУС.

Внедрение.

4.1 Подготовка объекта к внедрению.

4.2 Наладка АИУС.

4.3 Приёмо-сдаточные испытания.

4.4 Сдача АИУС комиссии (заказчику).

Терминология

Система - совокупность элементов, находящихся во взаимодействии (совокупность связанных между собой частей) и подчиняющихся целенаправленным правилам.

Подсистема – совокупность элементов, объединённых единым процессом функционирования, которые, взаимодействуя, реализуют определённую операцию (программу), необходимую для достижения цели, поставленный перед системой в целом.

Иерархическая система – система произвольной природы (технической, биологической, и т. д.) и назначения имеющая многоуровневую структуру в функциональном, организационном и т. д. плане.

Сущность системного подхода

Системный подход – понятие, подчёркивающее значение комплексности, широты охвата и чёткой организации в исследовании, проектировании и планировании. Системный подход отличается от традиционного предположением, что система целая, состоящая из взаимодействующих частей элементов, обладает такими свойствами каких нет у его частей. При этом части системы могут быть в свою очередь, тоже системами, и тогда их называют подсистемами. Подсистема обладает свойством функциональной полноты, т.е. ей присущи свойства системы.

                   Системный подход при создании АИУС заключается в разбиении всей системы на подсистемы (декомпозиции системы) и учёте при её разработке не только свойств конкретных подсистем, но и связей меду ними (декомпозиция даёт возможность сложную задачу разбить на ряд менее сложных). Например, при проектировании АС процессом узла приготовления бетонной смеси домостроительного комбината (ДСК) может быть поставлена задача максимизации его производительности(П), при заданных ограничениях на качество бетонной смеси (К₁…К_N). С критерием эффективности К.Э    

                                          П=F(X,Y)→max                                                                                                                                                                                       (1)

Ограничения                                                                                                                                                                                      (2)

Однако эта система является частью другой системы (всего ДСК). Поэтому, если указанное повышение производительности бетонно-смесительного узла не учтено при проектировании других подсистем, потребляющих бетон, то в целом показатели ДСК останутся прежними (на прежнем уровне).

                   Системный подход опирается на известный диалектический закон взаимосвязи и взаимодействия явлений в мире и в обществе и требует рассмотрения изучаемых явлений и объектов не только как самостоятельной системы, но и как подсистемы некоторой большой системы. То есть системный подход требует прослеживания во всех существенных связей как внутренних, так и внешних.

                   Принципы системного подхода: принцип максимума эффективности и принцип централизации информации. Принцип максимума эффективности в общем виде критерием эффективности является отношение (или разность) показателей ценности результатов, полученных в результате функционирования системы (АИУС) и показатели затрат на её создание. Например:

                   W=Д_г-Э-К/Т_ок

                   Где Д – годовой доход от функционирования автоматизированного технологического комплекса (АТК).

                      Э – эксплуатационные затраты (годовые).

                      К – капитальные затраты на создание АТК.

                      Т – срок окупаемости.

Принцип централизации информации заключается в том, что АИУС, как система управления и принятия решений эффективна лишь тогда, когда информация собирается, хранится и отображается на основе единых массивов, единого банка данных, который может быть и децентрализован аппаратно.

При реализации системного подхода используются достижения (результаты) таких научных направлений как:

                   - общая теория систем (ОТС);

                   - системотехника;

                   - исследование операций;

                   - системный анализ;

 

8.2.1. В ОТС – разрабатываются философские, методологические, научные и прикладные проблемы анализа и синтеза сложных систем производственной природы.

8.2.2. В системотехнике изучается вопрос планирования, проектирования и поведения сложных систем, к числу которых относится и АИУС. Действительно АИУС вместе с объектом присущи:

- целостность и целенаправленность, т.е. её части служат для достижения цели.

- сложность, т.е. изменение одной переменной влечёт за собой изменение многих других переменных

- разнородность подсистем, частей (технологическое оборудование, средства автоматизации, персонал, сырьё и т.д.)

1. Этапы (обследование, технический проект, техническое задание, РП, внедрение, эксплуатация)

2. Аппарат (любые математические дисциплины, в том числе и теория вероятностей, математической статистики и т.д.)

3. Части (технологические аппараты процесса, функциональные и обеспечивающие подсистемы самой АИУС и т.д.)

8.2.3. Исследование операций.

Это научное направление в исследовании и проектировании систем основано на математическом моделировании процессов и явлений (с целью их оптимизации).

8.2.4. Системный анализ – методология исследований сложных систем.

Исследование в системном анализе разбивается на ряд этапов:

8.2.4.1. Постановка задачи – выделяется объект исследования, цели, задаются критерии для управления им.

8.2.4.2. Очерчиваются границы изучаемой системы, и ведётся её первичная

структуризация. Совокупность объектов и процессов, имеющих отношение к поставленной цели, разбиваются на 2 класса:

- изучаемую систему и внешнюю среду;

- а также выделяются отдельные составные части – элементы изучаемой системы.

8.2.4.3. Составляются математическая модель изучаемой системы: описываются элементы и входные и выходные, их параметры, устанавливаются зависимости между введёнными параметрами (в виде таблиц, АУ, ДУ в виде вероятностных соотношений).

8.2.4.4. Исследуются пограничные ММ, в том числе и прямым (имитационным) моделированием на ЭВМ.

 

 

8.2. Методология и последовательность разработки АИУС.

Т.к. большинство АИУС представляют собой системы комплексной автоматизации, каких- либо процессов, состоящих из подпроцессов со своими локальными СУ, то большинство из них является иерархическими в том или ином плане. Задача проектирования иерархических АСУ во многом зависит от признаков, которые положены в основу при подразделении сложной системы на соответствующие уровни иерархии (Месарович М и Ф. Теория иерархических многоуровневых систем; 1973 МИР)

                   Чаще всего используется организационный признак, который позволяет отображать фактически существующую субординацию (рис 8.1.)

 

 

 

Рис.8.1. Пример расчленения систем по организационному признаку рис 8.2.

 

Систему можно разделить на иерархически связанные меду собой уровни также и по временному признаку. В этом случае при отнесении элементов к тому или иному уровню в основу кладётся интервал времени, через который необходимо вмешательство последующего уровня в процесс управления (рис 8.2.) для обеспечения нормального функционирования системы

 

Рис. 8.2. Пример разбиения задачи управления энергетической системой по временному признаку.

Иерархические системы управления образуются только в результате расчленения какой – либо сложной задачи на более простые подзадачи. В этом случае элемент иерархической структуры называют уровнями сложности принимаемых решений.

Рассмотрим, как может решаться задача разбиения сложной задачи на более простые на примере двухуровневой СУ. (рис.8.3.)

 

                   Ввиду того, что алгоритм управления локальных подсистем управления С₁, С₂ (рис.8.3) не учитывают связей между отдельными подпроцессами (например, процесс штамповки С₁ и фрезерования С₂), то возникает задача координации. Сущность её заключается в следующем: требуется разработать систему более высокого иерархического уровня С₀, которая управляла бы ЛСУ так, чтобы они (подсистемы) функционировали согласовано и были подчинены общей цели.

                   В теории иерархических сетей разработаны некоторые принципы пригодные для синтеза алгоритма функционирования С₀ координатора, которые подобны принципу обратной связи в ТАУ: принцип прогнозирования взаимодействий, принцип оценки взаимодействий, принцип согласования взаимодействий. Рассмотрим вкратце применение первого принципа, для целей координации функционирования двух локальных подсистем управления С₁ и С₂. Подпроцессы P₁ и P₂ связаны между собой посредством связующих переменных U₁ и U₂. Локальные микро УВМ С1 и С2 выбирают управляющие воздействия   и  на основании сигналов обратной связи Y1 и Y2 и прогнозируемых координатором С₀ значений координирующих переменных и .Ошибку прогнозирования можно определить по формуле:

  ,

где - вектор координирующих сигналов;

- вектор связующих переменных.

Синтез алгоритма координации заключается в нахождении итеративной (пошаговой) процедуры τ, с помощью которой на основании ошибки прогнозирования на i-м шаге ε_i находят значение вектора  на (i+1) шаге     управления, т.е.

 

 

Если на некотором шаге значение ошибки окажется равным нулю, то задача координации считается решённой.

Принцип оценки взаимодействий реализуется также. Но задача считается решенной, когда ошибка x находится в заданной области.

 

5. Пример использования системного подхода при проектировании АИУС участка производства бетонных смесей – АИУС ”Бетон”.

 

В соответствии с методологией системотехники работы по созданию АИУС разбиваются на стадии и этапы.

                   На стадии технического задания удобно использовать методологию системного анализа.

1. На 1-м этапе системного анализа формируем цель АИУС.

АИУС производства бетонных смесей предназначена для управления и контроля технологического процесса, начиная от подачи материалов со складов и кончая выдачей бетонных смесей потребителям.

Цель АИУС – повышение экономичности, ритмичности и качества продукции, а также своевременное обеспечение потребителей необходимым количеством смесей заданных параметров.

2. На 2-м этапе системного анализа очертим границы изучаемой системы.

Определяем, что система должна включать управление следующими процессами:

· Подачей материалов со складов в ёмкости надбункерного отделения (расходные бункеры).

· Дозированием.

· Выдачей готового бетона.

· Доставкой на формовочные участки.

Формовочные и другие участки, потребляющие бетон, а также железнодорожный и автомобильный транспорт, доставляющие компоненты бетонной смеси на склады не входят в систему и могут быть отнесены к внешней среде. Предполагается, что в процессе функционирования в систему поступают заказы на бетонную смесь (с пунктов ее потребления) и компоненты бетонной смеси со складов цемента и заполнителей (песок и т.д.). Т.о. внешняя среда влияет на систему.

В результате первичной структуризации выделяем элементы производства, подлежащие автоматизированному управлению, а также входы и выходы, связывающие рассматриваемую систему и внешнюю среду.

3. На 3-м этапе системного анализа предварительно разрабатываем математическую модель системы. На этом этапе ограничиваются графическим и словесным описанием подсистемы и связующих звеньев.

Учитывая естественную структуру технологического процесса, проводим его декомпозицию на подсистемы (рис.8.4). А в соответствии с декомпозицией процесса на подпроцессы выполняем декомпозицию задачи управления на подзадачи (уровни сложности принимаемого решения). В результате общая задача управления процессом в целом подразделяется на ряд последовательно решаемых более простых задач (рис.8.4).

Задача 1. Вначале на основе данных лабораторного анализа (какой состав лучше) устанавливаются процентные содержания компонентов в бетонных смесях различных марок с учётом влажности и засоренности заполнителей (песок, гравий и т.д.),активности цемента и т.д. Результаты решения этой задачи являются исходными данными для решения задачи координации работы подсистем в соответствии с заказами на бетонную смесь.(1- ый уровень)

Задача 2. На основе данных очереди заказов и результатов решения задачи управления составом, определяются заданиями дозаторам и смесителям, выбирается цепочка транспортных средств, доставляющих готовую смесь потребителям, определяются расходные бункеры, подлежащие загрузке.(2-ой уровень)

Задача 3. На третьем уровне решаются задачи управления отдельными процессами.

 

 

Рис. 8.4. Иерархия задач управления АС «Бетон».

                              Далее проводится предварительная разработка и выбор КТС АС (рисунок 8.5.). На основе этого системного анализа работа распределяется между отдельными исполнителями (инженеры, математики, программисты и. т.д.), составляются планы, графики выполнения проектных и научно-исследовательских работ.

                              В дальнейшем для ряда подсистем составляются более детальные математические модели. При этом функции переходов, выходов, связующие функции описываются в виде математических выражений, что позволяет исследовать различные алгоритмы управления методом цифрового моделирования на ЦСОИ.

                              В частности рассмотрим, как можно упростить процесс дозирования. Для координации процессов дозирования отдельных компонентов целесообразно использовать линейную процедуру итерации (рис 8.6.).

                              При поступлении компонентов бетонной смеси в грузоприёмное устройство ошибка слежения за изменением массы материала в бункере дозатора из-за наличия переходного процесса в нём велика. А после окончания процесса дозирования и затухания переходных процессов в дозаторе масса каждого из компонентов мажет быть измерена с большей точностью. Но при этом может оказаться, что дозирование прошло не так как надо. Если окажется что вектор процентных отношений компонентов выходит за пределы некоторой области допустимых значений, то следует выбрать тип компонентов и соответствующий дозатор для досыпки. После реализации выбранной досыпки процедура повторяется до тех пор, пока в соответствии с принципом оценки взаимодействия вектор процентных отклонений не будет находится в заданной области (рис. 8.6.) К примеру, если , то нужно добавить

Техническое обеспечение АИУС