Структурная схема автоматического управления. Схемы систем автоматизации Структурная схема и принцип работы асу

Изучение и математический анализ АСУ существенно облегчаются, если ее предварительно мысленно расчленить на типовые элементы, выявить физические взаимосвязи между ними и отобразить эти взаимосвязи схематично в какой-либо условной форме.

АСУ может быть разделена на части по различным признакам: назначению частей, алгоритмам преобразования информации, конструктивной обособленности. Соответственно различают следующие структуры и структурные схемы АСУ:

функциональную;

алгоритмическую;

конструктивную.

При этом будем понимать, что:

структура– совокупность связанных между собой частей чего-либо целого;

структурная схема – графическое изображение структуры.

Функциональные и алгоритмические схемы состоят из условных изображений элементов и звеньев (обычно в виде прямоугольников) и различных связей, изображаемых в виде линий со стрелками, показывающих направление передачи воздействий. Каждая линия соответствует обычно одному сигналу или одному воздействию. Около каждой линии указывают физическую величину, характеризующую данное воздействие.

Обычно вначале составляют функциональную схему АСУ, а затем – алгоритмическую. Структурные схемы могут составляться с большей или меньшей степенью детализации. Схемы, на которых показаны лишь главные или укрупненные части АСУ, называются обобщенными (см. рис.1).

Функциональная структурная схема – схема, отражающая функции (целевые назначения) отдельных частей АСУ.

Такими функциями могут быть:

§ получение информации о состоянии объекта управления;

§ преобразование сигналов;

§ сравнение сигналов и т.п.

В качестве частей функциональной структуры (схемы) АСУ рассматриваются функциональныеустройства. Названия устройств указывают на выполнение определенной функции. Например:

§ датчик;

§ усилитель;

§ блок сравнения;

§ управляющий блок;

§ исполнительное устройство и т.п.

Д – датчик – предназначен для получения сигнала, пропорционального определенному

воздействию;

ЭС – элемент сравнения – служит для получения сигнала, пропорционального отклонению управляемой величины x(t) от задающего воздействия x з (t);

КУ – корректирующее устройство – предназначено для улучшения качества управления;

УПБ – усилительно-преобразующий блок – служит для усиления сигнала и придания ему определенной формы;

РО – регулирующий орган – служит для непосредственного воздействия на регулируемую среду (примеры РО: вентиль, задвижка, тиристор и т.п.);

ИУ – исполнительное устройство – предназначено для приведения в действие регулирующего органа (примеры ИУ: электродвигатель, электромагнит и т.п.).

Алгоритмическая схема – схема, представляющая собой совокупность взаимосвязанных алгоритмических звеньев и характеризующая алгоритмы преобразования информации в АСУ.

При этом, алгоритмическое звено - часть алгоритмической структуры АСУ, соответствующая определенному математическому или логическому алгоритму преобразования сигнала. Если алгоритмическое звено выполняет одну простейшую математическую или логическую операцию, то его называют элементарным алгоритмическим звеном . На схемах алгоритмические звенья изображают прямоугольниками, внутри которых записывают соответствующие операторы преобразования сигналов. Иногда вместо операторов в формульном виде приводят графики зависимости выходной величины от входной или графики переходных функций.

Различают следующие виды алгоритмических звеньев:

§ статическое;

§ динамическое;

§ арифметическое;

§ логическое.

Статическое звено – звено, преобразующее входной сигнал в выходной мгновенно (без инерции).

Динамическое звено – звено, преобразующее входной сигнал в выходной в соответствии с операциями интегрирования и дифференцирования во времени.

Арифметическое звено – звено, осуществляющее одну из арифметических операций: суммирование, вычитание, умножение, деление. Наиболее часто встречающееся в автоматике арифметическое звено – звено, выполняющее алгебраическое суммирование сигналов, называют сумматором.

Логическое звено – звено, выполняющее какую-либо логическую операцию: логическое умножение («И»), логическое сложение («ИЛИ»), логическое отрицание («НЕ») и т.д.Входной и выходной сигналы логического звена являются обычно дискретными и рассматриваются как логические переменные.

3. Моделирование в ТАУ

Цель любого управления – изменить состояние объекта нужным образом (в соответствии с заданием). Теория автоматического регулирования должна ответить на вопрос: «как построить регулятор, который может управлять данным объектом так, чтобы достичь цели?» Для этого разработчику необходимо знать, как система управления будет реагировать на разные воздействия, то есть нужна модель системы : объекта, привода, датчиков, каналов связи, возмущений, шумов.

Модель – это объект, который мы используем для изучения другого объекта (оригинала ).

Модель и оригинал должны быть в чем-то похожи, чтобы выводы, сделанные при изучении модели, можно было бы (с некоторой вероятностью) перенести на оригинал. Нас будут интересовать в первую очередь математические модели , выраженные в виде формул. Кроме того, в науке используются также описательные (словесные), графические, табличные и другие модели.

Как строятся модели?

Во-первых, математические модели могут быть получены теоретически из законов физики (законы сохранения массы, энергии, импульса). Эти модели описывают внутренние связи в объекте и, как правило, наиболее точны.

Рассмотрим RLC- цепочку, то есть последовательное соединение резистора с сопротивлением R (в омах ), катушки индуктивности с индуктивностью L и конденсатора с емкостью C . Она может быть описана с помощью двух уравнений, которые и определяют математическую модель цепи:

Второй способ – построение модели в результате наблюдения за объектом при различных входных сигналах. Объект рассматривается как «черный ящик», то есть, его внутреннее устройство неизвестно. Мы смотрим, как он реагирует на входные сигналы, и стараемся подстроить модель так, чтобы выходы модели и объекта совпадали как можно точнее при разнообразных входах.

На практике часто используется смешанный способ: структура модели (вид уравнения, связывающего вход и выход) определяется из теории, а коэффициенты находят опытным путем. Например, общий вид уравнений движения корабля хорошо известен, однако в этих уравнениях есть коэффициенты, которые зависят от многих факторов (формы корпуса, шероховатости поверхности и т.п.), так что их крайне сложно (или невозможно) найти теоретически. В этом случае для определения неизвестных коэффициентов строят масштабные модели и испытывают их в бассейнах по специальным методикам. В авиастроении для тех же целей используют аэродинамические трубы.

Для любого объекта управления можно построить множество различных моделей, которые будут учитывать (или не учитывать) те или иные факторы. Обычно на первом этапе стараются описать объект как можно более подробно, составить детальную модель. Однако при этом будет трудно теоретически рассчитать закон управления, который отвечает заданным требованиям к системе. Даже если мы сможем его рассчитать, он может оказаться слишком сложным для реализации или очень дорогим.

С другой стороны, можно упростить модель объекта, отбросив некоторые «детали», которые кажутся разработчику маловажными. Для упрощенной модели закон управления также получается проще, и с его помощью часто можно добиться желаемого результата. Однако в этом случае нет гарантии, что он будет так же хорошо управлять полной моделью (и реальным объектом). Обычно используется компромиссный вариант. В этом случае, наоборот, начинают с простых моделей, стараясь спроектировать регулятор так, чтобы он «подходил» и для сложной модели. Это свойство называют робастностью (грубостью ) регулятора (или системы), оно означает нечувствительность к ошибкам моделирования. Затем проверяют работу построенного закона управления на полной модели или на реальном объекте. Если получен отрицательный результат (простой регулятор «не работает»), усложняют модель, вводя в нее дополнительные подробности. И все начинается сначала.

Для общего ознакомления с системой предназначена структурная схема (рис. 6.2). Структурная схема - это схема, определяющая основные функциональные части изделия, их назначение и взаимосвязи .

Структура - это совокупность частей автоматизированной системы, на которые она может быть разделена по определенному признаку, а также пути передачи воздействия между ними. В общем случае любая система может быть представлена следующими структурами:

• ? конструктивной - когда каждая часть системы представляет собой самостоятельное конструктивное целое;
• ? функциональной - когда каждая часть системы предназначена для выполнения определенной функции (полные сведения о функциональной структуре с указанием контуров регулирования даются на схеме автоматизации);

Рис. 6.2.

? алгоритмической - когда каждая часть системы предназначена для выполнения определенного алгоритма преобразования входной величины, являющегося частью алгоритма функционирования.

Надо отметить, что для простых объектов автоматизации структурные схемы могут не приводиться.

Требования к данным схемам устанавливает РТМ 252.40 «Автоматизированные системы управления технологическими процессами. Структурные схемы управления и контроля». Согласно этому документу конструктивные структурные схемы содержат: технологические подразделения объекта автоматизации; пункты

контроля и управления, в том числе не входящие в состав разрабатываемого проекта, но имеющие связь с проектируемой системой; технический персонал и службы, обеспечивающие оперативное управление и нормальное функционирование технологического объекта; основные функции и технические средства, обеспечивающие их реализацию в каждом пункте контроля и управления; взаимосвязи между частями объекта автоматизации.

Элементы структурной схемы изображают в виде прямоугольников. Отдельные функциональные службы и должностные лица допускается изображать кружком. Внутри прямоугольников раскрывается структура данного участка. Функции автоматизированной системы управления технологическим процессом указываются условными обозначениями, расшифровка которых дается в таблице над основной надписью по ширине надписи. Взаимосвязь между элементами структурной схемы изображают сплошными линиями, слияния и разветвления - линиями с изломом. Толщина линий следующая: условных изображений - 0,5 мм, линий связи - 1 мм, остальных - 0,2...0,3 мм. Размеры элементов структурных схем не регламентируются и выбираются по усмотрению.

В примере (рис. 6.2) приведен фрагмент выполнения конструктивной схемы управления и контроля станции водоочистки. В нижней части раскрыты технологические подразделения объекта автоматизации; в прямоугольниках средней части - основные функции и технические средства пунктов местного управления агрегатами; в верхней части - функции и технические средства пункта централизованного управления станцией. Поскольку схема занимает несколько листов, обозначены переходы линий связи па последующие листы и показан обрыв прямоугольника, раскрывающего структуру объекта автоматизации.

На линиях связи между отдельными элементами системы управления может быть указано направление передаваемой информации или управляющих воздействий; при необходимости линии связи могут быть помечены буквенными обозначениями вида связи, па- пример: К - контроль, С - сигнализация, ДУ - дистанционное управление, АР - автоматическое регулирование, ДС - диспетчерская связь, ПГС - производственная телефонная (громкоговорящая) связь и т.п.

Развитие АСУ ТП на современном этапе связано с широким использованием для управления микропроцессоров и микроЭВМ, стоимость которых с каждым годом становится все более низкой по сравнению с общими затратами на создание систем управления. До появления микропроцессоров эволюция систем управления технологическими процессами сопровождалась увеличением степени централизации. Однако возможности централизованных систем теперь уже оказываются ограниченными и не отвечают современным требованиям по надежности, гибкости, стоимости систем связи и программного обеспече­ния.

Переход от централизованных систем управления к децентрализованным вызван также возрастанием мощности отдельных технологических агрегатов, их усложнением, повышением требований по быстродействию и точности к их работе. Централизация систем управления экономически оправдана при сравнительно небольшой информационной мощности (число каналов контроля и регулирования) ТОУ и его территориальной сосредоточенности. При большом числе каналов контроля, регулирования и управления, большой длине линий связи в АСУ ТП децентрализация структуры системы управления становится принципиальным методом повышения живучести АСУ ТП, снижения стоимости и эксплуатационных расходов.

Наиболее перспективным направлением децентрализации АСУ ТП следует признать автоматизированное управление процессами с распределенной архитектурой, базирующееся на функционально-целевой и топологической децентрализации объекта управления.

Функционально-целевая децентрализация - это разделение сложного процесса или системы на меньшие части - подпроцессы или подсистемы по функциональному признаку (например, переделы технологического процесса, режимы работы агрегатов и т. д.), имеющие самостоятельные цели функционирования.

Топологическая децентрализация означает возможность территориального (пространственного) разделения процесса на функционально-целевые подпроцессы. При оптимальной топологической де­централизации число подсистем распределенной АСУ ТП выбирается так, чтобы минимизировать суммарную длину линий связи, образующих вместе с локальными подсистемами управления сетевую структуру.

Технической основой современных распределенных систем управления, обусловившей возможность реализации таких систем, являются микропроцессоры и микропроцессорные системы.

Микропроцессорная система выполняет функции сбора данных, регулирования и управления, визуализации всей информации базы данных, изменения уставок, параметров алгоритмов и самих алгоритмов, опти­мизации и т.д. Использование микропроцессоров (в том числе микроЭВМ) для решения перечисленных задач дает возможность достичь следующих целей:

а) заменить аналоговые технические средства на цифровые там, где переход к цифровым средствам повышает точность, расширяет функциональные возможности и увеличивает гибкость систем управления;

б) заменить технические средства с жесткой логикой на программируемые (с возможностью изменения программы) устройства, или микроконтроллеры ;

в) заменить одну мини-ЭВМ системой из нескольких микроЭВМ, когда необходимо обеспечить децентрализованное управление производством или технологическим процессом с повышенной надежностью и живучестью или когда возможности мини-ЭВМ полностью не используются.

Микропроцессорные системы могут выполнять в подсистемах распределенной АСУ ТП все типовые функции контроля, измерения, регулирования, управления, представления информации оператору.

В распределенных АСУ ТП приняты в основном три топологические структуры взаимодействия подсистем: звездообразная (радиальная); кольцевая (петлевая); шинная (магистральная) или их комбинации. Организация связи с датчиками и исполнительными устройствами носит индивидуальный и преимущественно радиальный характер.

На рис.3.5 изображены варианты топологий распределенных АСУ ТП.

Рисунок 3.5 - Типовые структуры распределенных АСУ ТП:

а - радиальная, б - магистральная, в - кольцевая

Радиальная структура взаимодействия подсистем (рис.3.5,а) отражает традиционно применявшийся способ соединения устройств с выделенными линиями связи и характеризуется следующими особенностями:

а) существуют отдельные, не связанные между собой линии, объединяющие центральную подсистему (ЦП) с локальными системами автоматики ЛА i ;

б) технически просто реализуются устройства сопряжения УС 1 -УС m локальной автоматики. Центральное устройство связи УСЦ представляет собой набор модулей типа УС i по числу линий либо достаточно сложное устройство мультиплексирования каналов передачи информации;

в) обеспечиваются максимальные скорости обмена по отдельным линиям при достаточно высокой производительности вычисли­тельных устройств на уровне ЦП;

г) надежность подсистемы связи в значительной степени зависит от надежности и живучести технических средств ЦП. Выход из строя ЦП практически разрушает подсистему обмена, так как все потоки информации замыкаются через верхний уровень.

Распределенная система с радиальной структурой является двухуровневой системой, где на нижнем уровне в подсистемах реализуются необходимые функции контроля, регулирования, управления, а на втором - в ЦП координирующая микроЭВМ (или мини-ЭВМ) кроме координации работы микроЭВМ-сателлитов осуществляет оптимизацию задач управления ТОУ, распределение энергии, управляет технологическим процессом в целом, вычисляет технико-экономические показатели и т.п. Вся база данных в распределенной системе с радиальной структурой должна быть доступной координирующей микроЭВМ для прикладных программ управления на верхнем уровне. Вследствие этого координирующая микроЭВМ работает в режиме реального времени и должна управляться с помощью языков высокого уровня.

На рис.3.5 (б, в) изображены кольцевая и шинная топологии взаимодействия уровней. Эти структуры имеют ряд достоинств по сравнению с радиальной:

а) работоспособность подсистемы связи, включающей в себя канал и устройства связи, не зависит от исправности технических средств на уровнях автоматизации;

б) имеются возможности подключения дополнительных устройств и контроля всей подсистемы с помощью специальных средств;

в) необходимы значительно меньшие затраты кабельной продукции.

За счет обмена информацией между ЛА i через канал связи и УС («каждый с каждым») появляется дополнительная возможность динамического перераспределения функций координа­ции совместной работы подсистем ЛА по нижним уровням в случае выхода из строя ЦП. Шинная (в меньшей степени кольцевая) структура обеспечивает широковещательный режим обмена между подсистемами, что является важным преимуществом при реализации групповых команд управления. Вместе с тем шинная и кольцевая архитектура предъявляет уже значительно более высокие требования к «интеллекту» устройств сопряжения, а следовательно, повышенные единовременные затраты на реализацию базовой сети.

Сравнивая кольцевую и шинную топологии подсистемы связи, следует отметить, что организация кольцевой структуры менее дорогостоящая, чем шинная. Однако надежность всей подсистемы с кольцевой системой связи определяется надежностью каждого устройства сопряжения и каждого отрезка линий связи. Для повышения живучести необходимо применение двойных колец или дополнительных линий связи с обходными путями. Работоспособность физического канала передачи для шинной архитектуры с трансформаторной развязкой не зависит от исправности устройств сопряжения, однако, как и для кольца, выход из строя любого устройства сопряжения в наихудшем случае приводит к полностью автономной работе отказавшего узла подсистемы, т. е. к потере функции управления от уровня ЦП автоматикой отказавшего узла.

Явным методом повышения живучести всей системы автоматики в случае отказа устройств согласования в подсистеме связи является дублирование устройств согласования в узлах подсистемы. В кольцевой структуре такой подход уже подразумевается при организации двойных колец и обходных путей. Если надежность непрерывного физического канала для нижней топологии не вызывает сомнений, то возможно дублирование только устройств сопряжения без применения резервного магистрального кабеля.

Более дешевым способом повышения надежности подсистемы связи является использование комбинированных структур, сочетающих в себе достоинства радиальных и кольцевых (магистральных) топологий. Для кольца число радиальных связей может быть ограничено двумя-тремя линиями, реализация которых дает простое и недорогое решение.

Оценка таких показателей распределенных АСУ ТП, как экономические (затраты на кабельную продукцию, трассировку кабеля, на разработку или приобретение сетевых средств, в том числе устройства связи и т. п.), функциональные (использование групповых операций передачи, интенсивность обме­на, возможность обмена «каждый с каждым»), а также показатели унификации и возможности эволюции сети (возможность простого включения дополнительных узлов-абонентов, тенденции к применению в АСУ ТП) и показатели надежности сети (отказ канала связи и устройств связи или сопряжения), позволяет сделать следующие выводы:

а) наиболее перспективной в смысле развития и использования является магистральная организация подсистемы связи;

б) функциональные возможности магистральной топологии не уступают возможностям кольцевой и радиальной;

в) надежностные показатели магистральной структуры достаточно удовлетворительные;

г) магистральная топология распределенной АСУ ТП требует больших единовременных затрат на создание и внедрение канала связи и устройств сопряжения.

Во многом благодаря этим особенностям магистральной структуры и модульной организации аппаратных и программных средств в современных АСУ ТП магистрально-модульный принцип построения технического обеспечения нашел преимущественное распространение.

Применение микропроцессоров и микроЭВМ позволяет эффективно и экономно реализовать принцип функциональной и топологической децентрализации АСУ ТП. Тем самым можно значительно повысить надежность и живучесть системы, сократить дорогостоящие линии связи, обеспечить гибкость функционирования и расширить область применения в народном хозяйстве комплексов технических средств, основным элементом которых является микроЭВМ или микропроцессор. В таких распределенных системах управления большое значение приобретает стандартизация интерфейсов , т.е. установление и применение единых норм, требований и правил, гарантирующих информационное объединение технических средств в типовых структурах АСУ ТП.

Является схема управления в режимесбора данных . При этом подсоединяется к технологическому процессуспособом, выбранным инженером-технологом.

Подсоединение осуществляетсяпосредством сопряжения с объектом (УСО). Измеря-емые величиныпреобразуются в цифровую форму. Эти величины по соответст-вующим формулампреобразуются в единицы. Например, для вычис-лениятемпературы, замеряемой с помощьютермопары,можетиспользоватьсяформула T = A * U2 + B * U + C ,гдеU–напряжениенавыходетермопары;A, B и C – коэффициенты. Результатывычислений регистрируются устройствами вывода для последующего изучения технологическогопроцесса в различных условиях его прохождения. На основе этого можно построитьили уточнить математическую модель управляемого процесса.

Данный режим неоказывает прямого воздействия натехнологический процесс. Здесь нашел осторожный подход к внедрению методовуправления в АСУТП. Однако данная схема используется как одна из обязательныхподсхем управления в других более сложных схемах управлениятехнологическимипроцессами.

В данной схеме АСУТП работаетв темпе выполнения технологического процесса. Контур управления разомкнут, т.е.выходы АСУТП не связаны с органами, управляющими технологическими процессами.Управляющие воздействия осуществляются оператором-технологом ,получающимрекомендацииотЭВМ.

Все необходимыеуправляющие воздействия вычисляются ЭВМ всоответствии с моделью технологического процесса, результаты вычисленийпредоставляются оператору в печатном виде (или в виде сообщений на дисплее).Оператор управляет процессом, изменяя установки .

Регуляторыявляются средствами поддержания оптимального управления технологическимпроцессом. Оператор выполняет роль следящего и управляющего , усилиякоторого АСУТП непрерывно и безошибочно направляетнаоптимизацию выполнения технологическогопроцесса.
Основнойнедостаток этой схемы управления заключается в присутствиичеловека в цепи управления. При большом числевходных и выходных переменных такая схема управления не может применяться из-заограниченных психофизических возможностей человека. Однако управление этоготипа имеет и преимущества. Оно удовлетворяет осторожного подхода кновым методам управления.

Режим советчика обеспечивает хорошие возможности дляпроверки новых моделей технологических процессов. АСУТП может отслеживатьвозникновение аварийных ситуаций, так чтооператор имеет возможность уделять больше внимания работе с установками, приэтом АСУТП может следить забольшимчисломаварийныхситуаций,чемоператор.

Супервизорноеуправление.

В этой схеме АСУТП используется в замкнутомконтуре, т.е.установкирегуляторамзадаютсянепосредственносистемой.

1. Управлениеавтоматизированной транспортно-складской . В такой системе ЭВМ выдаетадреса стеллажных ячеек, а система локальной автоматики кранов-штабелёров отрабатываетперемещение их в соответствии с этими адресами.
2. Управлениеплавильными печами. ЭВМ вырабатывает значения уставок для управления режимамиработы электрических печей, а локальная автоматика по командам ЭВМ управляетпереключателями трансформаторов.
3. Станки с числовымпрограммным управлением.

Непосредственное цифровое управление.

В режиме непосредственного цифрового управления (НЦУ) сигналы,используемые для приведения в действие управляющих органов, поступают из АСУТП,а регуляторы вообще исключаются из системы управления. Регуляторы – этоаналоговые вычислители, которые решают одноуравнение в реальном масштабе времени, например такого вида:

где y может обозначать положениеклапана; k0, k1, k2, k3 – параметры настройки,благодаря которым регулятор можно настроить на работу в различных режимах;X - разность междуизмеряемой величиной и уставкой. Если X не =0, то для выведения процесса на заданный режим требуетсяперемещение управляющего органа.

Если регуляториспользует для своей работы два первых члена уравнения, то он называется .Если используются три первых члена, то регулятор - пропорционально-интегральный ,и если - все члены уравнения, то регулятор - пропорционально-интегрально-дифференциальный .

Концепция НЦУпозволяет заменить регуляторы с задаваемой уставкой. Рассчитываются реальныевоздействия, которые в виде соответствующих сигналов передаются непосредственнона управляющие органы. Схема НЦУ показана на рисунке:

Введены обозначения:
УО – управляемый объект
Д – датчик.

Уставкивводятся в АСУ оператором или ЭВМ, выполняющей расчеты по оптимизации процесса.Оператор должен иметь возможность изменять уставки, контролировать некоторыеизбранные переменные, изменять диапазоны допустимого изменения измеряемыхпеременных, изменять параметры настройки, а также должен иметь доступ куправляющей программе. Одно из главных преимуществ режима НЦУ заключается ввозможности изменения алгоритмов управления путем внесенияизменений в управляющую программу. Основнойнедостаток схемы непосредственного цифрового управления – возможность системы при отказе ЭВМ.