Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования Украины

Одесский национальный политехнический университет

КОНСПЕКТ ЛЕКЦИЙ ПО КУРСУ

«Локальные системы автоматики»

для студентов специальности 7.09.02.07 и 7.09.14.02 дневной и заочной формы обучения

“Компьютеризированные системы автоматики и управления”

Составители: Денисенко Татьяна Александровна

Кандидат технических наук, доцент.

Одесса ОНПУ 2008

СОДЕРЖАНИЕ

1. Государственная система приборов и средств автоматизации (ГСП)

1.1 Основа построения ГСП

1.2 Функциональная структура систем автоматического контроля, управления и регулирования

1.3 Структура ГСП (электрическая ветвь)

2. Системотехнический анализ структур автоматизированных технологических комплексов (АТК)

2.1 Структура АТК информационного типа

2.2 Структура АТК информационно-советующего типа

2.3 Структура АТК прямого цифрового управления

3. Промышленные микропроцессорные контроллеры

3.1 Общая характеристика, принципы построения

3.2 Промышленные стандартные контроллеры фирмы SIEMENS семейства SIMATIC

3.3 Основы программирования на языке SТЕР 7

3.3.1 Формы представления программы

3.3.2 Основные понятия

3.3.3 Условные обозначения в STЕР 7

3.3.4 Пример проектирования программы

3.4 Промышленные микроконтроллеры координирующего типа

3.5 Регулирующий микропроцессорный контроллер (РЕМИКОНТ)

4. Цифровые интерфейсы, используемые в автоматизированных системах управления

4.1 Термины и определения

4.2 Основные разновидности структур и интерфейсов

4.3 Основные признаки интерфейсов

4.4 Общемагистральный канал

4.5 Интерфейс программного обмена данными ЦВМ с объектами

4.5.1 Интерфейс безусловной передачи данных

4.5.2 Условная передача данных интерфейса

4.5.3 Передача данных с прерыванием программы процессора

4.7 Приборный интерфейс (МЭК)

4.7.1 Характеристика интерфейса

4.7.2 Пример объединения нескольких приборов приборным интерфейсом

4.7.4 Назначение шин приборного интерфейса

4.7.5 Интерфейсные функции приборов

4.7.6 Режим рукопожатия

1. ГОСУДАРСТВЕННАЯ СИСТЕМА ПРИБОРОВ И СРЕДСТВ АВТОМАТИЗАЦИИ

1.1 Основа построения ГСП

В основе построения Государственной системы промышленных приборов и средств автоматизации лежит применение - общих технических принципов.

К этим принципам относятся:

1.Стандартизация функциональной структуры (т.е. функциональный состав частей системы, связи между ними) системы автоматического контроля, управления и регулирования.

2.Стандартизация связей между системами и внутри систем (информационных, т.е. кодов, языков; энергетических - параметров источников энергии; вещественных - соединительных и монтажных разъемов).

3.Стандартизация конструктивных форм (функциональных элементов - стандарт на модули, блоки; агрегатно- блочно- модульное построение приборов и функциональных устройств, входящих в системы).

4.Стандартизация основных технических требований на свойства изделий и условия их использования.

Вышеперечисленные принципы могут быть дополнены стандартизирующей терминологией и утверждением общей классификацией приборов и технических средств приема, передачи, хранения, обработки и использования информации для целей измерительной и вычислительной техники и автоматического управления, а также унификацией (стандартизацией) технических документов на проведение научных исследования и опытно-конструкторских разработок, и т.д.

Основная идея ГСП заключается в том, что при построении автоматизированных систем управления используются типовые алгоритмы измерения, контроля, диагностики, управления, реализуемые на ограниченном базисе технических средств, которые могут компоноваться методом агрегатирования.

В основе ГСП лежит принцип агрегатирования.

Применение принципа агрегатирования в ГСП предусматривает построение более сложных систем унифицированных изделий методом их стыковки и наращивания.

Важное преимущество агрегатирования связано с возможностью совершенствования отдельных изделий ГСП без полного их обновления.

Необходимость автоматизации современных сложных производственных процессов привела к созданию различных систем автоматических устройств, выполняющих функции контроля, регулирования или управления.

Функциональными задачами приборов и устройств, входящих в системы автоматического контроля, регулирования и управления являются:

· получение контрольной информации об изменении параметров в технологическом процессе;

· передача контрольной информации;

· преобразование контрольной информации, сравнение ее с программой, формирование командной информации;

· передача командной информации;

· использование командной информации для оказания необходимого воздействия на технологический процесс (путем изменения потоков энергии или материалов или изменения рабочих характеристик ).

· ( В зависимости от выполняемых функциональных задач , перечисленных выше, все технические средства ГСП деляться на 5 функциональных групп)

· выполнение указанных функций возможно, если информация будет условно, но вполне однозначно связана с какой-то физической величиной (параметром). Такая физическая величина (параметр) вещественная или энергетическая, условно выбранная для передачи необходимых сведений, называется сигналом. Для систем автоматического управления в качестве сигнала выбираются энергетические параметра, так как они позволяют осуществлять передачу на расстоянии, преобразование, сравнение, получение новых сигналов.

Сигналы могут быть непрерывными, когда их длительность не ограничивается, и прерывистыми (дискретными), когда их длительность (постоянная или переменная) ограничена некоторыми заданными значениями.

В качестве непрерывных сигналов выбираются:

при электрической энергии - величина напряжения или тока при постоянном токе; величина напряжения, тока, частоты или фазы (либо соотношения этих величин) при переменном токе:

при использовании энергии сжатого газа или жидкости - величина давления в газе или жидкости;

при использовании механической энергии величина усилия (или момента), скорости (угловой скорости), линейного перемещения (углового перемещения).

В качестве прерывистых (дискретных) сигналов выбираются:

при электрической энергии в случае постоянного тока: величина амплитуды напряжения или тока, длительность импульса, длительность паузы (фаза импульса), частота импульсов, число импульсов, сочетание импульсов, имеющих различные признаки (код); в случае переменного тока: амплитуда напряжения или тока, длительность импульса, длительность паузы, частота импульсов, число импульсов, сочетание импульсов, имеющих различные признаки (код), частота переменного тока, заполняющего импульс, фаза первого периода переменного тока, заполняющего импульс.

Прерывистые (дискретные) сигналы при других видах энергии пока используются только в пневматических устройствах дискретного действия. И в этом случае при прерывистых (дискретных) сигналах можно в соответствии с изменением информации менять амплитуду и длительность импульса, длительность паузы между импульсами, частоту импульсов, число импульсов, сочетание импульсов с различными признаками (т.е. с различной амплитудой, длительностью числом и т.п.).

В процессе получения, передачи преобразования, сравнения и использования информации приходиться производить ряд операций с сигналом:

1) преобразование контролируемой величины в сигнал (датчики);

2) преобразование:

а) сигнала одного рода энергии в сигнал другого рода энергии (эектро-механическое преобразование, термо-электрическое преобразование, фото-электрическое преобразование) ;

б) сигнала непрерывного в дискретный или обратно (АЦП,ЦАП);

в) величины энергии сигнала(усилители);

г) пределов изменения величины сигнала (масштабирование);

д) вида функциональной связи между входным и выходным сигналами (функциональные преобразователи, счетно-решающие элементы);

3) хранение сигналов (элементы памяти);

4) создание программных сигналов(задатчики);

5) сравнение контрольных и программных сигналов и формирование командного (управляющего) сигнала (схемы сравнения);

6) логические операции(логические элементы);

7) распределение сигналов по различным направлениям соединениям, путям передачи(распределители, коммутаторы);

8) использование сигналов для воздействия на управляемый процесс (исполнительные элементы).

Выполнение указанных операций производится с помощью элементов автоматической аппаратуры. Элементом (автоматической аппаратуры) называется простейшая конструктивно целостная ячейка, выполняющая одну определенную операцию с сигналом.

Автоматическим устройством (прибором, аппаратом) называется схемно-конструктивное соединение нескольких элементов, необходимое для выполнения функциональных задач.

Системой автоматических устройств называется их соединение, необходимое для выполнения операций по контролю, управлению или регулированию какого-либо параметра технологического процесса, в соответствии с заданной программой или определенными критериями ведения технологического процесса.

1.2 Функциональная структура систем автоматического контроля, управления и регулирования

В случае необходимости контролировать, регулировать или управлять несколькими параметрами в технологическом процессе создаются сложные системы (комплексы). Такие сложные системы (комплексы) обычно имеют одну из следующих структур:

1. В виде автономных систем управления или регулирования, имеющих согласованные, в соответствии с заданной программой настройки (или частные программы).

2. В виде совокупности систем управления или регулирования, управляемых от центральной вычислительной машины ("управлявшей машины") в зависимости от изменения качества материалов, состояния технологического процесса, заданного изменения программы ведения технологического процесса и т.п. Такие сложные системы, называемые иерархическими, внутри себя могут иметь несколько уровней подчинения.

3. Применение централизованного устройства в виде центральной вычислительной машины «управляющей машины»), которая собирает информацию о всех контролируемых параметрах и в соответствии с заданной программой или заданными критериями производит управление всеми исполнительными устройствами,! воздействующими на подводимые к технологическому процессу потоки энергии или вещества или на характеристики рабочих машин, участвующих в данном процессе.

В зависимости от перечисленных в разделе 1.1 функциональных задач приборов и устройств , входящих в состав систем автоматического контроля , управления и регулирования, согласно стандарту все технические средства делятся на пять групп. Ниже в таблице 2.1 указано какие группы технических средств используются при построении той или иной системы

Табл.2.1 «Функциональная структура автоматических систем»

Технические средства	Технические средства для получения контрольной информации (1-я функциональная группа )	Технические средства для передачи контрольной информации (2-я функциональная группа)	Технические средства для обработки и хранения информации (3-я функциональная группа )	Технические средства для передачи командной информации (4-я функциональная группа )	Технические средства для исполнения командной информации (5-я функциональная группа)
Системы
Автоматического контроля	+	-	+	-	-
Автоматического управления	-	-	+	-	+
Автоматического регулирования	+	-	+	-	+
Телемеханического контроля	+	+	+	-	-
Телемеханического управления	-	-	+	+	+
Телемеавтоматического контроля	+	+	+	-	-
Телеавтоматического управления	-	-	+	+	+
Телеавтоматического регулироания	+	+	+	+	+

1.2 1.3 Структура ГСП. Электрическая ветвь

Широкое распространение имеют такие автоматизированные системы контроля, управления и регулирования, в которых вся или наиболее важная часть информации о значениях контролируемых параметров передается человеку (оператору) определяющему и осуществляющему необходимые воздействия в соответствии с заданной программой или критериями для ведения технологического процесса. В таких системах используется для связи с человеком (оператором, диспетчером): акустические, оптические и механические сигналы.

В зависимости от рода энергии, используемой от вспомогательного источника для формирования сигнала, можно различать следующие ветви приборов (устройств) ГСП:

А. Электрическую.

Б. Пневматическую.

В. Гидравлическую.

Кроме того, существует ветвь приборов и устройств без источников вспомогательной энергии. Энергия для образования сигнала у приборов данной ветви отбирается от контролируемой среды.

На рис. 1.1 приведено разделение общей Государственной системы приборов и устройств на указанные ветви. На рисунке приведены основные пять групп функциональных устройств, входящих в каждую из ветвей, указаны основные используемые сигналы, а также основные виды приборов, входящих в каждую из функциональных групп устройств

Часто приходится создавать комбинированные системы, использующие различные виды сигналов. Например, электрические сигналы (в устройствах для получения, передачи и обработки информации) и пневматические или гидравлические (в устройствах для использования информации) либо пневматические сигналы (в устройствах для получения, передачи и обработки информации) и гидравлические (в устройствах для использования информации). В связи с этим необходимо наличие преобразователей сигналов одного рода энергии в сигналы другого рода энергии. На рисунке указаны различные необходимые преобразователи сигналов одного рода энергии в другой.

Устройства для получения информации об изменении контролируемого параметра (датчики сигналов) могут непосредственно формировать сигнал необходимого рода энергии и требуемых пределов изменения либо после них приходится ставить специальный преобразователь.

Устройства для воздействия на процесс (исполнительные устройства) производят изменение потоков энергии или вещества с помощью различных регулирующих органов, указанных в нижней части рис. 1.1.

Рис. 1.1 «Структура ГСП. Электрическая ветвь»

2. СИСТЕМОТЕХНИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ СТРУКТУР АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ КОМПЛЕКСОВ (АТК)

Обоснование выбора структуры АТК производится на основе анализа результатов обследования (или моделирования - для новых технологических процессов) автоматизируемого ТОУ, после определения целей автоматизации, анализа характера и определения числа необходимых для реализации целей автоматизации, управляющих и информационных функций. Как показывает опыт, наиболее сильно влияет на выбор той или иной структуры АТК временной характер автоматизируемого технологического процесса; наличие близких или типовых решений (прототипов); вид (тип), сложность . число единиц , территориальное расположение автоматизируемого технологического оборудования; диапазон и скорость измерения управляющих и контролируемых параметров ТОУ; технические требования (надежность, живучесть, устойчивость к внешним воздействиям и др.); экономическая эффективность того или иного проектного решения; перспективность развития (совершенствование) системы управления по мере роста профессиональной подготовки обслуживающего персонала; знание и опыт разработчиков системы и др.

Перечисленные выше факторы позволяют с той или иной степенью приближения (в зависимости от стадии проектирования) определить перечень подлежащих реализации в данном проекте АТК управляющих и информационных функций АСУ ТП и определить (рассчитать) требования к техническим средствам системы управления.

Для решения этой задачи необходимо проанализировать итоговые структурно-функциональные схемы АТК, определив их достоинства, недостатки и области применения.

2.1 Структура АТК информационного типа

Рис. 2.1 Структура АТК информационного типа: АРМОТ - автоматизированное рабочее место оператора технолога; УД - устройство документации; УНО - устройство наглядного отбора; ПУ - пульт управления; УСО - устройство сопряжения; ИВК - информационно вычислительный комплекс.

Рис. 2.2. Реализуемые уровни иерархии функций управления

Как видно из рисунка 2.1. оператор может управлять ТОУ непосредственно (вручную) и с помощью системы дистанционного управления (по принципу включено-выключено). Конечной целью реализации функций управления является регулирование (стабилизация) хода технологического процесса по заданному параметру (параметрам).

Основным отличием данной структуры системы управления от обычных систем ручного и дистанционного управления является наличие информационно-вычислительного комплекса ИВК.

На ИВК, роль которого могут выполнять микро- или мини-ЭВМ (в зависимости от сложности ТОУ ) возлагаются функции сбора и обработки метрологической информации о ходе технологического процесса (или отдельных технологических операций), сбора и обработки информации о технологическом состоянии оборудования АТК и выдачи информации в обработанном (концентрированном) виде автоматически или по запросу технологу-оператору.

Отличительной особенностью ИВК по сравнению с любым другим измерительным или индикаторным устройством является то, что при современном быстродействии ЭВМ объем информации от ТОУ, которую ИВК может обработать в реальном масштабе времени протекания технологического процесса, практически почти не ограничен.

Другим положительным качеством ИВК является то, что программы обработки информации разрабатываются при проектировании АТК и переход от одной программы к другой или перенастройке ИВК при модернизации (развитии) ТОУ не требуют изменения структуры вышеперечисленного комплекса.

Таким образом, включение ИВК в структуру системы управления ТОУ превращает эту систему в автоматизированную (АСУ ТП), позволяя выполнять функции более высокого уровня управления, которые на рис. 2.2. обозначены как рекомендации оператору.

Данная типовая структура АТК может быть использована и при децентрализации объекта управления.



Рис.2.3. Структура АТК с децентрализованным объектом управления.

Особенно интересны перспективы использования информационной структуры для управления территориально распределенными объектами (рис. 2.2.) с разработкой терминальных субкомплексов, позволяющих производить первичную обработку измерительной информации на месте с последующей передачей обработанной (концентрированной) информации по обычным линиям связи на центральный ИВК АТК. Число уровней управления зависит от сложности ТОУ (числа управляемых переменных), от длительности выполнения и числа технологических операций, входящих в единый технологический процесс, от количества территориального расположения технологического оборудования, участвующего в реализации технологического процесса.

Достоинства и недостатки этой структуры АТК (рис. 2.1) определим посредством сравнения ее с системами ручного и дистанционного управления технологическими процессами. К числу достоинств можно отнести возможность: обработки в реальном масштабе времени функционирования ТОУ большого (с учетом быстродействия современных мини- и микро-ЭВМ) потока информации о ходе технологического процесса и о состоянии технических средств (оборудования) ТОУ; получения оперативной технико-экономической информации о работе АТК; получения информации в концентрированном виде на одном устройстве наглядного изображения ИВК (в виде формуляра, графика, словесных рекомендаций); документирования хода технологического процесса и состояния оборудования ТОУ в процессе эксплуатации (с помощью устройств печати, перфораторов, графопостроителей и др.); получения оператором оперативной информации от ИВК в сложных производственных ситуациях (в том числе и аварийных).

Структуре ATK информационного типа свойственны все недостатки системы управления, в которых управляющем звеном является человек:

возможность управления технологическими процессами только с малым быстродействием (минуты, часы и т.д.);

ограничение числа управляемых технологических переменных (параметров техпроцесса) эргономическими возможностями человека;

зависимость надежности и качества системы управления от квалификации обслуживающего персонала, его работоспособности, от числа уровней управления и т.д.

Сказанное выше о достоинствах и недостатках информационной

структуры ATK позволяет рекомендовать ее к использованию: как простейшую автоматизированную систему управления на начальном этапе автоматизации технологических процессов; как структуру автоматизированной системы оперативно-диспетчерского управления (АСОДУ) группой оборудования для производственного участка цеха и т. д.

2.2 АТК информационно - советующего типа

Рис.2.4 Структура АТК информационно-советующего типа



Рис.2.5 Реализуемые уровни иерархии функций управления

В данной системе функции управления разделены между человеком и локальными системами автоматики (ЛСА) (см рис. 2.3) на нижнем уровне, и человеком оператором (верхний уровень иерархии управления). Если рассматривать иерархию функций управления, то на верхнем уровне, помимо предоставления информации добавляются функции прогнозирования хода процесса диагностики, как оборудования, так и технических средств АСУ.

С точки зрения принципа реализации информационных функций АСУ ТП данная типовая структура мало отличается от предыдущей. Но высвобождение человека-оператора от функций непосредственного управления исполнительными механизмами (ИМ) ТОУ существенно меняет требования к характеру информационных функций, реализуемых ИВК, поскольку оператор может за счет резерва времени освоить (переработать) значительно больше информации о ходе технологического процесса и состоянии технологических средств. Это н качество АСУ ТП нашло отражение в том (это показано на рис. 2.5), что на ИВК могут быть возложены выдача рекомендаций (советов), прогнозирование хода технологического процесса и диагностика состояния технических средств ТОУ, задачи значительно более сложные, чем регистрация и оперативная информация любого вида. Для технической реализации функций прогнозирования и диагностики требуются, как правило, ИВК с большим быстродействием и объемом памяти, чем в предыдущей типовой структуре, а также дополнительные устройства наглядного отображения (УНО) и документирования (УД) автоматизированного рабочего места оператора-технолога (АРМОТ) (рис. 2.4.) Пульт управления ИВК (ПУ) может быть оборудован техническими средствами для обеспечения диалога оператора с ИВК

Для данной типовой структуры характерно то, что уставки аналоговых регуляторов или переключение режимов работы (коммутационных циклов) программируемых контроллеров па базе микро-ЭВМ, устройств числового программного управления (УЧПУ) станками и агрегатами, программно-логических и цифровых устройств (систем) управления промышленными роботами и других систем локальной автоматики (СЛА) производятся технологом-оператором вручную. Это существенно ограничивает (в пределах эргономических способностей человека) число управляемых технологических переменных и быстродействие ТОУ.

Комбинированная структура АТК может быть рекомендована (кроме целей автоматизации, указанных выше) для:

автоматизированных производственных участков механообработки; автоматизированных линий станков и агрегатов с числовым программным управлением;

управления территориально удаленными друг от друга объектами контрольно-измерительными стендами, установками и т.д.;

управления транспортно-складскими и сборочными линиями, конвейерами и т. д.;

во всех случаях, когда разработка математического обеспечения при увеличении степени автоматизации сложна.

2.3 Структура АТК прямого цифрового управления

Одноуровневая система



Рис. 2.6 «Структура АТК прямого цифрового управления. Одноуровневая система»

Рис. 2.7 «Реализуемые уровни иерархии функций управления »

На рис. 2.6. представлена простейшая одноуровневая система прямого цифрового управления ТОУ. Как видно из рис. 2.3 если исключить возможность участия человека-оператора в процессе управления ТОУ, то получится система автоматического управления (АС).

Широкому распространению ЦАС для управление локальными ТОУ препятствовало отсутствие надежных и вместе с тем дешевых вычислительных комплексов. С появлением микропроцессорной техники и быстрым развитием этого направления вычислительной техники это препятствие устранено. Поэтому использование ЦАС на базе микро-ЭВМ для управления локальными ТОУ относительно небольшой сложности имеет перспективы развития во всех отраслях народного хозяйства, в том числе и в машиностроении.

Для управления сложными многосвязными ТОУ при достаточно жестких требованиях надежности и живучести систем управления преимущество автоматизированных систем управления (АСУ ТП) остается неоспоримым.

В АСУ ТП прямого цифрового управления за человеком-оператором остаются функции переключения режимов управления, корректировка хода технологического процесса и общий контроль за функционированием АТК и состоянием технических средств. Эффективность реализации перечисленных выше возможностей функций оператора-технолога обеспечивается современным уровнем развития технических средств АР МОТ.

С помощью АСУ ТП прямого цифрового управления при наличии соответствующего математического обеспечения можно реализовать все уровни иерархии функций управления вплоть до оптимального управления по заданному критерию качества с адаптацией к ходу технологического процесса, качеству исходных материалов (заготовок), инструмента и т. д. Существенным препятствием к практической реализации высших уровней функций управления в настоящее время являются трудности в преобразовании знаний и опыта рабочих высокой квалификации в математическую форму, необходимую для представления указанных знаний и опыта в виде программ работы УВК, а также высокая стоимость технических средств, способных реализовать оптимальное управление с адаптацией.

К числу основных достоинств рассматриваемой типовой структуры можно отнести:

- универсальность перемещения в смысле временного характера (дискретные и непрерывные) протекания технологического процесса;

- возможность получения и обработки информации о ходе технологического процесса и состоянии технических средств практически с любой степенью объективности в масштабе времени протекания технологического процесса;

- способность реализации любого уровня качественной иерархии управляющих функций АСУ ТП;

- возможность управления технологическим процессом практически любой сложности (с любым числом управляемых технологических переменных) и любого быстродействия в реальном масштабе времени ТОУ при соответствующем выборе УВК.

К числу основных недостатков АСУ ТП прямого цифрового управления можно отнести: сложность разработки математического обеспечения; относительно высокую стоимость технических средств; необходимость использования резервирования технических средств АСУ ТП для обеспечения заданной надежности и живучести ATК; сложность сопряжения вычислительных комплексов разных уровней (например, мини- и микро-ЭВМ), что необходимо для построения многоуровневых АСУ ТП.

Двухуровневая система

Рис 2.8.Двухуровневая структура прямого цифрового управления

В данной системе есть уровень управления УВК и нижний локальный уровень управления. От УВК чрез УСО3 устанавливаются уставки регуляторов программы. Верхний уровень осуществляет полное управление системой, обрабатывает полученную информацию о ходе ТП, вырабатывает командные решения для коррекции уставок нижнего уровня и т. д. Склады и транспортная система также управляется автоматически. Эта система может использоваться с уровнями управления более двух.

При выборе структуры необходимо учитывать целесообразность и все факторы, которые необходимо реализовать в процессе управления.

На рисунке показана двухуровневая система прямого цифрового управления автоматизированного механического цеха. На нижнем уровне управление ТОУ (станками, кузнечными прессами, промышленными роботами и т. д.) осуществляется с помощью устройств числового программного управления (УЧПУ). Управляющий вычислительный комплекс верхнего уровня управления АСУ ТП осуществляет выдачу программ УЧПУ и координацию их работы в соответствии со сменно-суточным заданием цеху, а также осуществляет управление транспортно-складской системой, в состав которой входят склады для хранения заготовок (отливок и т. д.), инструмента, готовых деталей и транспортные средства (краны, штабелеры, роботы, конвейеры) для их подачи на рабочие места и обратно на склады.

Проанализированные выше типовые структуры ЛТК не исчерпывают всех возможных их вариантов, но являются перспективными для машиностроения и других отраслей промышленности с преобладанием дискретных производств.

Системотехнический анализ структур AT К позволяет утверждать, что агрегатные комплексы технических средств (АКТО) в наибольшей мере удовлетворяют достаточно противоречивым технико-экономическим требованиям к техническому обеспечении АСУ ТП.

3. ПРОМЫШЛЕННЫЕ МИКРОПРОЦЕССОРНЫЕ КОНТРОЛЛЕРЫ

3.1 Общая характеристика, принципы построения

Термином программируемый микропроцессорный контроллер (ПМК) обозначают изделия группы устройств преобразования, обработки, хранения информации и выработки команд управления, реализованных на базе микропроцессорной техники и являющихся, по сути, специализированными управляющими микро-ЭВМ для работы в локальных и распределительных системах управления в реальном времени в соответствии с фиксированным набором рабочих программ, размещенным в ПЗУ, а не в ОЗУ. МПК относится к третей группе ГСП.

Особенности ПМК, отличающие их от управляющих мини- и микро-ЭВМ:

ѕ проблемно-ориентированное программное обеспечение на конкретную задачу или на набор задач;

ѕ схожесть физической структуры ПМК различных назначений;

ѕ программирование ПМК в процессе их изготовления, поэтому изменение программы работы (обычно это делается редко), настройка, реконфигурация и т. п. осуществляются на пульте оператора клавишами. ПМК предназначены для эксплуатации в непосредственной близости от технологического оборудования, поэтому в ПМК обеспечивается необходимая защита от промышленных помех, гальваническая развязка от внешних цепей оптронами, ферритовыми трансформаторами;

ѕ модульная структура ПМК, позволяющая изменять число входов и выходов и т, п.;

ѕ меньший объем памяти и меньшее число электронных блоков в составе ПМК по сравнению с микро-ЭВМ;

ѕ наличие сканирующих (коммутирующих) устройств для поочередного опроса входов и выходов ПМК.

По своему назначению - областям проблемной ориентации - ПМК бывают:

- микроконтроллерами, предназначенными для замены устройств электроавтоматики на крупносерийном и массовом производстве -- релейных и логических схем, командных аппаратов; такие ПМК логического типа появились на базе развития и слияния средств вычислительной техники на МП, релейной бесконтактной, автоматики и циклового программного управления технологическим оборудованием, и именно логические ПМК положили начало в ряду программируемых контроллеров;

- микроконтроллерами, предназначенными для реализации алгоритмов регулирования, динамического и нелинейного преобразования аналоговых и дискретных сигналов в системах автоматического регулирования; такие ПМК регулирующего типа заменяют аналоговые, импульсные и цифровые регуляторы;

- микроконтроллерами координирующего типа, предназначенными для реализации функций программных задатчиков, специальных алгоритмов логико-командного управления периферийными устройствами, функций координирующей микроЭВМ в распределенном управлении (ведущий контроллер).

Уже сложившиеся области применении ПМК со свободно программируемой структурой взамен традиционных электронных устройств с жесткой структурой достаточно обширны, и развитие средств промышленной автоматики в сторону ПМК составляет в настоящее время основное направление в техническом обеспечении систем управления всех типов и назначения.

Типовая блок-схема ПМК изображена на рис. 3.1. В состав ПМК входят микропроцессорное устройство, устройство входа-выхода и панель оператора. Микропроцессорное устройство включает в себя процессор (ПР) и память. Процессор содержит БИС микропроцессора, узел обработки прерываний и интерфейсные схемы для управления пересылкой информации по внутрисистемной магистрали ПМК. Для ПМК логического типа характерна побитовая обработка входных данных, поэтому в них ПР строится по схеме однобитового логического процессора. Память ПМК предназначена для хранения неизменяемых программ, постоянных числовых параметров и временных промежуточных результатов вычислений. Поэтому память содержит ПЗУ (хранение программ) и ОЗУ (хранение числовых данных).

Устройство входа-выхода ПМК содержит блоки гальванической развязки (ГР), мультиплексор, блоки аналого-цифрового, цифро-аналогового, дискретно-аналогового, цифро-импульсного и цифро-дискретного преобразования. Гальваническая развязка одновременно обеспечивает защиту от помех. Мультиплексор-коммутатор аналоговых сигналов - поочередно опрашивает входы ПМК.

Панель оператора ПМК содержит органы управления (клавиши, кнопки), устройства индикации, мнемосхему. Панель позволяет выбрать режим работы ПМК, составить схему включения, выдать ее параметры и т.п. в зависимости от назначения ПМК и объекта управления. Блок питания (БП) и резервный блок питания (РБП) предназначены для сохранения информации в случае отключения основного питания

Перечисленный состав ПМК делает его автономным устройством автоматики. В зависимости от области применения физическая структура ПМК может претерпевать изменения относительно типовой структуры.

3.2 Промышленные стандартные контроллеры фирмы SIEMENS семейства SIMATIC

Основные технические характеристики и архитектура программируемых контроллеров

Основные технические параметры программируемых контроллеров:

· область применения

· объем памяти

· время обработки

· таймеры

· арифметические операции

· цифровые входы и выходы

· аналоговые входы и выходы

Программируемые контроллеры семейства S1МАТ1С строятся по модульному принципу (компактные контроллеры в случае необходимости могут расширяться путем подключения дополнительных модулей контроллера и состоят из центрального (процессорного) модуля, блока питания, периферийных модулей, включающих модули цифрового и аналогового ввода-вывода, таймеров, счетчиков, модули имитации и диагностики, интеллектуальные модули, к которым относятся модули регулирования, позиционирования, дозирования и т. д., коммуникационные модули, обеспечивающие связь контроллера с другими контроллерами, операторскими станциями и промышленными сетями. Для контроллеров верхнего уровня в качестве модулей могут использоваться встраиваемые персональные компьютеры, выполняющие функции накоплении и сложной математической обработки получаемой информации. Связь центрального и периферийных модулей осуществляется с помощью системной шины, обеспечивающей передачу адресов, данных и управляющих сигналов.

Контроллеры состоят из центрального блока, включающего блок питания, центральный процессор и периферийные модули, устанавливаемые на носителе центральных модулей, и, если требуется, устройств расширения, включающих носитель модулей расширения и необходимые дополнительные модули. Конструктивно носители модулей представляют собой металлическую пластину с разъемами м креплением для модулей. При этом модули помешаются в адаптационные капсулы, обеспечивающие их защиту от внешних воздействий. Возможны два варианта подключения модулей расширения: централизованная и децентрализованная конфигурация контроллеров. В первом случае максимальное расстояние между центральным модулем м модулями расширения составляет 2,5 м, в котором в зависимости от модулей подключения - 600, 1500 или 3000м.

Различные типы контроллеров отличаются друг от друга типом центрального процессора и конструктивом.

Подробную информацию об архитектуре, составе и технических характеристиках программируемых контроллеров семейства можно найти в каталогах фирмы SIMENS .

3.3 Основы программирования на языке SТЕР 7

3.3.1 Формы представления программы

В языках программирования для управляющих устройств наиболее широкое применение нашли следующие формы представления программ:

* в виде последовательности команд.

* в виде релейно-контактной схемы;

* в виде функциональной (логической) схемы.

Представление в виде последовательности команд наиболее близко к внутреннему отображению управляющей программы в устройстве управления, поэтому оно наиболее часто используется в простых программирующих устройствах.

Релейно-контрактная схема как бы моделирует работу устройства управления с использованием средств релейной автоматики, представляя его в виде принципиальной электрической схемы.

Функциональная схема позволяет наглядно описать функции управления в виде схемы, состоящей из отдельных функциональных элементов.

Релейно-контрактные и функциональные схемы дают удобное для оператора представление алгоритма управления, но требуют более сложных программирующих устройств, выполненных, как правило на основе персональных компьютеров.

Для программирования систем автоматизации S1МАТ1С S7 используется язык SТЕР 7, который предоставляет пользователю все три формы представления программ, а также, при помощи команд, SТЕР 7 позволяет переводить один вид представления в другой. Ниже приведены основы программирования на языке SТЕР 7 и примеры его использования.

3.3.2 Основные понятия

Программы, составляемые с помощью языка SТЕР 7, подразделяются на системны и прикладные.

Системные программы представляют собой совокупность всех команд и условий для реализации внутренних рабочих функций устройства управления. Системные программы хранятся в ре-программируемых постоянных запоминающих устройствах (РВДУ или EPROM) центрального блока и недоступны пользователю.

Прикладные программы представляют собой совокупность команд и условий для обработки сигналов и оказания воздействия на управляемый процесс в соответствии с задачей управления.

Процессор контроллера выполняет команды последовательно друг за другом. После выполнения последней команды процессор начинает выполнять первую команду. Тех как выполнение команд периодически повторяется, то процессор реализует циклическое выполнение программы. Время, необходимое для однократного выполнения всех команд, называется временем цикла. Процессор контролирует время цикла, если оно превышает некоторую заданную величину, переводит контроллер в состояние SТОР. Прикладные программы доступны пользователю и подразделяются на блоки, которые представляют собой часть программы, ограниченную функцией, структурой или целевым назначением.

В языке программирования SТЕР 7 различают такие блоки, содержащие команды для обработки сигналов:

· Организационные блоки

· Программные блоки

· Функциональные блоки

· Блоки данных

Организационные блоки (ОВ) служат для управления прикладной программой в форме перечня подлежащих обработке блоков. Имеются организационные блоки для циклической обработки программ, для обработки с управлением по прерываниям и для обработки с управлением по времени Организационные блоки является обязательным, например ОВI для циклического выполнения программы .

Программные блоки (РВ) отображают отдельные фрагменты прикладных программ в соответствии с поставленной задачей.

Функциональные блики (FВ) реализуют часто повторяющиеся или очень сложные функции. Функциональные блоки могут быть стандартными (поставляются готовыми) или программируются самим пользователем функциональные блоки параметрируются путем задания с помощью операндов различных значений параметров блока.

В блоках данных (DB) находятся данные, используемые в программе пользователя, массивы данных.

Для лучшей наглядности блоки программы пользователя (РВ, FВ, 0В) могут разделяться на отдельные фрагменты, называемые контурами (в различных редакциях могут использоваться другие названия, например сегменты, сети; в немецком варианте NETZ-WERK) Количество контуров не может превышать 256, причем один контур может содержать не более 256 команд. При представлении программы в виде релейно-контактной или функциональной схемы разделение блока на контуры обязательно

При составлении программы может использоваться линейное или структурное программирование.

При линейном программировании программа пользователя состоит только из одного блока, содержащего все команды. Процессор контроллера выполняет отдельные команды этого блока последовательно.

При структурном программировании программа делится на несколько блоков, которые последовательно вызываются из организационного блока (дня циклической обработки - из ОВI)

Для обработки какого-либо блока его необходимо вызвать с помощью соответствующей команды. Вызов может быть абсолютным или условным (зависящим от результата логической операции)

После окончания обработки блока программа продолжается с того места, откуда был вызван блок.

Блоки могут вызываться не только из организационных, но из других блоков, таким образом, создается разветвленная структура программы (вложение программных блоков аналогично вложению подпрограмм).

Для того чтобы изменения сигналов во время цикла выполнения программы не влияли на работу контроллера, перед началом цикла обработки операционная система опрашивают все входы Е и загружает их в область оперативной памяти, называемой ОТОБРАЖЕНИЕ ПРОЦЕССА НА ВХОДАХ - РАЕ, откуда и берутся значения входов при выполнении цикла программы. Значения выходных сигналов, получаемые при выполнении соответствующих команд программы, помешаются в область оперативной памяти, называемой ОТОБРАЖЕНИЕ ПРОЦЕССА НА ВХОДАХ - РАА

После выполнения последней команды организационного блока (ВЕ - конец блока) эти значения выводятся на соответствующие выходы контроллера А.

SPA - команда вызова блока

OBI - организационный блок 1

PBn - программный блок n

FBn - функциональный блок n

РАЕ - память для отображения процесса на входах

РАА - память для отображения процесса на выходах

Примечание: С помощью команд загрузки н передачи можно обойти области РАЕ и РАА и обратиться непосредственно к входам и выходам контроллера. РАЕ необходима для запоминания входны сигналов на период их обработки процессором, чтобы на этот период не влияли последние изменения входных сигналов.

Команда является наименьшей самостоятельной единицей программы Она представляет собой рабочее указание для процессора устройства управления и состоит из операционной и операндной частей.

Операндная несет информацию о функции производимой операции и включает признак и параметр.

Структуру команды можно представить следующим образом:

Операционная часть содержит данные, необходимые для выполнения операции. Она указывает, чем должен работать процессор устройства управления Язык программирования STЕР 7 различает следующие области, которые выделены для операндов:

Е - входы, представляют собой места сопряжения (входы) процесса с устройством управления (отображение процесса),

А - выходы, представляют собой места сопряжении (выходы) процесса с устройством управления (отображение процесса),

М - меркеры, предназначены для запоминания промежуточных результатов в двоичном виде,

D - данные, предназначены для запоминания промежуточных результатов в цифровом виде.

Т - таймера реализуют функция времени,

Z - счетчики реализуют функции счета,

РQ - периферия, используются для прямого обращения к периферийным устройствам,

К - константы представляют собой постоянное заданное число,

OB, РB, FB, DB - блоки, служащие для образований структуры программы

Обозначение области операнда называется признаком операнда. Для обращения определенному операнду в его о6ласти необходимо указать параметр

Параметр оказывает на адрес операнда Адресация таких областей, как входы Е, выходы А и меркеры М, может производиться по битам, байтам и словам Адрес бита отделяется от адреса байта тонкой, например:

Рис. 3.3 «Пример структуры команды»

3.3.3 Условные обозначения в STЕР 7

Состояние сигнала операнда, относящегося к обмотке, равно "1", если в цепи есть ток (цепь замкнута). Операнд имеет состояние "0". если ток по цепи не идет {цепь разомкнута)

Последовательная схема (логическое умножение) Ток течет по цепи, если все контакты замкнуты

Табл. 3.1 Обозначения, используемые в релейно-контактных схемах

Обозначение	Краткое описание
	Нормально открытый контакт Контакт "замкнутый", если состояние сигнала относящегося к нему операнда равно "0". При состоянии сигнала соответствующего операнда, равного"0",контакт "разомкнут"
	Нормально закрытый контакт Контакт "замкнут" если состояние сигнала относящегося к нему операнда равно "0". При состоянии сигнала соответствующего операнда равного"1".контакт "разомкнут"
	Исполнительное устройство (Обмотка реле или контактора в конце цепи ). Состояние сигнала операнда, относящегося к обмотке, равно "1", если в цепи есть ток (цепь замкнута). Операнд имеет состояние "0". если ток по цепи не идет {цепь разомкнута)
	Последовательная схема (логическое умножение). Ток течет по цепи, если все контакты замкнуты
	Параллельная схема (логическое сложение). Ток течет по цепи, если хотя бы одни контакт замкнут

Примечание: Допускается последовательное соединение параллельных схем и параллельное соединение последовательных схем.

Табл. 3.2 «Обозначения используемые в функциональных схемах»

Обозначение	Краткое описание
	Вход функции Результат опроса входа равен "1", если состояние сигнала операнда, относящегося к данному входу. - "1" Если состояние сигнала операнда на входе равно "0", то и результат опроса также будет равен "0".
	Инвертированный вход функции Результат опроса входа равен "1", если состояние сигнала операнда, относящегося к данному входу, - "0". Если состояние сигнала операнда на входе равно "0", то и результат опроса будет равен "1".
	Выход функции Операнд, находящийся на выходе функции, имеет состояние "1", если результат логической операции данной функции равен "1" Операнд имеет состояние "0", если в результате логической операции получен "0".
	Функции "И". Состояние сигнала на выходе функции "И" равно "1", если в результате опроса на всех входах функции "И" получена "1". Если результат опроса хотя бы одного входи, равен "0", то состояние сигнала на выходе - "0"
	Функция "ИЛИ" Состояние сигнала на выходе функции "ИЛИ" равно "1", если результат опросе хотя бы одного входа равен "1". При результате опроса всех входов, равном "0", состояние сигнала на входе равно "0"
	RS - триггер Функция запоминания с приоритетом сброса При появлении на входе S сигнала "1" выходной сигнал Q устанавливается в состояние "1". При появлении сигнала "1" на входе R выходной сигнал Q сбрасывается в состояние "0" Логический "0" на входах не приводит к изменению состояния выходного сигнала Q. Сброс имеет приоритет; если сигнал "1" появляется на обоих входах, то состояние выходного сигнала Q равно "0"
	SR - триггер Функция запоминания с приоритетом установки При появлении на входе S сигнала "1" выходной сигнал Q устанавливается в состояние "1". При появлении сигнала "1" на входе R выходной сигнал Q сбрасывается в состояние "0" Логически "О" на входах не приводит к изменению состояния выходного сигнала Q. Установка имеет приоритет; если сигнал "1" появляется на обоих входах, то состояние выходного сигнала Q равно"1"
	Счетчик ZU-суммирующий вход; ZR-вычитающий вход; S-вход уставки счетчика, в соответствии с параметром, поданным на вход KZ; R-вход сброса; Q-результат; KZимпульс Опрос счетчика на состояние "1" дает результат "1" если содержимое счетчика больше нудя, и дает результат "0", если содержимое счетчика равно нулю. При достижении содержимым счетчика значения нуля выход Q устанавливается в "0". Выходы DU и DE являются цифровыми. На выходе DU содержимое счетчика выдается в двоичном, а на выходе DE в двоично-десятичном коде.
	Таймер Функции времени (таймером) Отсчет времени начнется, если на входе пуска Х состояние сигнала сменится с "0" на "1". На вход TW таймера подается установка времени в таком формате

Рис. 3.4

Табл. 3.3 «Обозначения команд, используемые при представлении программы в виде последовательности команд»

Обозначение	Краткое описание
U операнд	Логическая операция "И", опрос на состояние сигнала "1". Результат опроса равен "1", если операнд имеет состояние "1", и "0", если операнд имеет состояние "0". Выполняется операция над результатом опроса и результатом предыдущей логической операции. При первичном опросе результат опроса принимается в качестве результата предыдущей операции
UN операнд	Логическая операция "И", опрос на состояние сигнала "0" Результат опроса равен "0", если операнд имеет состояние "1", и "1", если операнд имеет состояние "0". Выполняется операция над результатом опроса и результатом предыдущей логической операции. При первичном опросе результат опроса принимается в качестве результата предыдущей операции
0 операнд	Логический операция "ИЛИ" опроса на состояние сигнала"1" Результат опроса равен "1" если операнд имеет состояние "1" и "0", если операнд имеет состояние "0". Выполняется операция над результатом опроса и результатом предыдущей логической операции. При первичном опросе результат опроса принимается в качестве результата предыдущей операции.
ON операнд.	Логический операция "ИЛИ" опроса на состояние сигнала "0" Результат опроса равен "0", если операнд имеет состояние "1" и "1", если операнд имеет состояние "0". Выполняется операция над результатом опроса и результатом предыдущей логической операции. При первичном опросе результат опроса принимается в качестве результата предыдущей операции
О	Логический операция «ИЛИ» перед «И» Выполняется операция «ИЛИ» результата последующей операции «И» и результата предыдущей логической операции
U1	Логический операция «И» с выражением в скобках Выполняется операция «И» над результатом операций и скобках и результатом предыдущей операции.
O1	Логический операция «ИЛИ» с выражением в скобках. Выполняется операция «ИЛИ» над результатом операций в скобках и результатом предыдущей операции. Этой операцией закрывается выражение в скобках.
операнд	Присвоение Операнду присваивается результат предыдущей операции
S операнд	Установка Операнд, находящийся при этой операции, принимает состояние «1», если результат предыдущей операции равен «1». Если результат предыдущей операции равен "0", он не оказывает влияния на эту операцию.
S Zn	Установка счетчика
SI Tn	Запуск таймера в режиме короткого импульса
SV Tn	Запуск таймера в режиме удаленного импульса
SE Тn	Запуск таймера р режиме задержки включения
SS Tn	Запуск таймера в режим задержки включения с запоминанием
SA Tn	Запуск таймера в режиме задержки отключения
R операнд	Сброс Операнд, находящийся при этой операции, принимает состояния "0", если результат предыдущей операции равен "1". Если результат предыдущей операции равен "0", он не оказывает влияния на эту операцию.
ZV Zn	Счетчик прямого счета При применении результата предыдущей логической операции с "0" на "1" содержимое счетчика увеличивается на "1".
ZR Zn	Счетчик обработанного счета При изменении результата предыдущей логической операции с "0" на "1" содержимое счетчика уменьшивается "1".
1 = F	сравнение на равно
>< F	Сравнение на не равно
>F	Сравнение на больше
>= F	Сравнение на больше или равно
< F	Сравнение на меньше

Подобные документы

• Схемы систем автоматического регулирования

  Передаточные функции, используемые в функциональной схеме. Сравнивающее суммирующее устройство. Структурная и функциональная схемы систем автоматического регулирования. Анализ управляемости и наблюдаемости. Выбор критерия оптимальности и ограничений.
  
  контрольная работа [535,2 K], добавлен 20.12.2012
  

• Функционально-структурный анализ системы автоматического управления (регулирования) технического объекта

  Функциональная зависимость между входными и выходными параметрами как основная цель автоматического управления техническими системами. Система автоматического регулирования угловой скорости вращения коленчатого вала двигателя, алгоритмы функционирования.
  
  курсовая работа [2,4 M], добавлен 19.11.2012
  

• Импульсные и цифровые системы авторегулирования

  Характеристика импульсных и цифровых систем, влияние квантования по уровню на процессы в САР. Формирование систем регулирования на основе аналитических методов. Способы расчета и анализа нелинейных систем автоматического регулирования.
  
  реферат [594,7 K], добавлен 30.03.2011
  

• Расчет и проектирование системы автоматического регулирования

  Описание системы автоматического контроля и регулирования уровня воды в котле. Выбор регулятора и определение параметров его настройки. Анализ частотных характеристик проектируемой системы. Составление схемы автоматизации управления устройством.
  
  курсовая работа [390,0 K], добавлен 04.06.2015
  

• Проектная компоновка управляющих вычислительных комплексов

  Техническое обеспечение распределенной системы управления на базе программно-технических комплексов (ПТК), включающих контроллеры различных классов, рабочие станции. Основные требования к ПТК. Общая структура системы автоматизации, схемы внешних проводок.
  
  курсовая работа [938,3 K], добавлен 15.03.2014
  

• Анализ систем автоматического управления

  Структура замкнутой линейной непрерывной системы автоматического управления. Анализ передаточной функции системы с обратной связью. Исследование линейной импульсной, линейной непрерывной и нелинейной непрерывной систем автоматического управления.
  
  контрольная работа [1,6 M], добавлен 16.01.2011
  

• Регулирующие малоканальные микропроцессорные контроллеры МПК Ремиконты Р-130

  Техническая структура и программно-алгоритмическое обеспечение микропроцессорного регулирующего контроллера МПК Ремиконты Р-130. Разработка функциональной схемы контроллера для реализации автоматической системы регулирования. Схема внешних соединений.
  
  контрольная работа [403,6 K], добавлен 18.02.2013
  

• Проектирование систем автоматического регулирования на персональном компьютере

  Выбор регулятора для объекта управления с заданной передаточной функцией. Анализ объекта управления и системы автоматического регулирования. Оценка переходной и импульсной функций объекта управления. Принципиальные схемы регулятора и устройства сравнения.
  
  курсовая работа [2,5 M], добавлен 03.09.2012
  

• Исследование линейных и нелинейных систем управления

  Непрерывная система регулирования, состоящая из объекта регулирования, автоматического регулятора и нелинейной системы, включающей нелинейное звено. Возможность возникновения автоколебаний. Моделирование нелинейной системы автоматического регулирования.
  
  курсовая работа [825,9 K], добавлен 13.11.2009
  

• Исследование узлов и систем автоматического регулирования

  Системы автоматического регулирования (САР), их виды и элементарные звенья. Алгебраические и графические критерии устойчивости систем. Частотные характеристики динамических звеньев и САР. Оценка качества регулирования, коррекция автоматических систем.
  
  курсовая работа [1,5 M], добавлен 16.02.2013
  

• главная
• рубрики
• по алфавиту
• вернуться в начало страницы
• вернуться к началу текста
• вернуться к подобным работам