/
Автор: Шельпяков А.Н.
Теги: автоматика системы автоматического управления и регулирования интеллектуальная техника технология управления оборудование систем управления техническая кибернетика автоматика и телемеханика машиностроение технологические процессы автоматизация
ISBN: 978-5-9729-1094-6
Год: 2022
Текст
A. H. Шельпяков
АВТОМАТИЗИРОВАННОЕ УПРАВЛЕНИЕ
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ
СИСТЕМАМИ И ПРОЦЕССАМИ
Учебное пособие
Москва Вологда
«Инфра-Инженерия»
2022
УДК 681.5
ББК 32.966
Ш45
Рецензенты:
доктор технических наук, заведующий лабораторией № 2 Института проблем
иППЭП ПАППа РАН (г ХЛлГ'Ь-Пя'! Л A# AfziZM/НПО
доктор технических наук, профессор кафедры ракетостроения Воткинского
филиала Ижевского Государственного технического университета
имени М. Т. Калашникова Б. А. Сентпяков
Шельпяков, А. Н.
Ш45 Автоматизированное управление технологическими системами и
процессами : учебное пособие / А. Н. Шельпяков. - Москва ; Вологда :
Инфра-Инженерия, 2022. - 160 с.: ил., табл.
ISBN 978-5-9729-1094-6
Рассмотрены теоретические и практические аспекты управления объек-
тами машиностроительного производства. Представлена концептуальная схема
управления, виды объектов управления с точки зрения внешних воздействий,
сигналы и способы управления различными объектами. Для представленных
видов объектов рассмотрены дискретные и непрерывные системы управления,
отдельно описаны микропроцессорные системы управления. Описаны системы
управления на базе программируемых логических контроллеров. Дана класси-
r»r?nrrrrrr г» гглттмл^гтл лгггглпгтгт гх па» л airnnr Т ПГГГГТ ПГ Г»ТТТЖГТ ПГТЖТТТТТ TV лтт лота» « тггг*лпп
п. имдриипи uunvarwi 1 щ длл ^иодаппл раздтпыл wititM
ления: датчики, входные преобразователи, управляющие системы и устройства,
выходные преобразователи, приводы и исполнительные механизмы.
Для студентов направления подготовки 15.03.05 «Конструкторско-техно-
логическое обеспечение машиностроительных производств».
УДК 681.5
ББК 32.966
ISBN 978-5-9729-1094-6
© Шельпяков А. Н., 2022
© Издательство «Инфра-Инженерия», 2022
© Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2022
СОДЕРЖАНИЕ
ПРЕДИСЛОВИЕ....................................................5
ВВЕДЕНИЕ.......................................................7
Глава 1. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ........................8
Гтгяпя 9 ПК'КРк’ТкТ VFTP Д ПГГРГГТЛЯ 1?
X J-lfc*X»4X • \/Х^ b'l-'XV X Х^Х X XX 1 1X/J ХХ^Х XX Х/Х......
2.1. Объекты, процессы управления.............................12
2.2. Сигналы управления.......................................17
2.3. Способы управления объектами.............................19
2.4. Классификация систем автоматического управления..........22
Глава 3. УПРАВЛЕНИЕ ДИСКРЕТНЫМИ ОБЪЕКТАМИ.....................27
3.1. Элементы алгебры логики, логические функции..............27
3.2. Синтез однотактных комбинационных схем...................33
3.3. Программируемые логические контроллеры (ПЛК).............36
3.4. Синтез многотактных последовательных систем управления
с применением ПЛК.............................................45
Глава 4. УПРАВЛЕНИЕ НЕПРЕРЫВНЫМИ (АНАЛОГОВЫМИ)
ОБЪЕКТАМИ, ПРОЦЕССАМИ.........................................61
4.1. Назначение и принципы работы систем автоматического
регулирования (САР)...........................................61
4.2. Динамика САР, законы регулирования.......................63
4.3. Регуляторы и системы автоматического регулирования.......67
Глава 5. МИКРОПРОЦЕССОРНЫЕ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ.................71
5.1. Режимы использования микропроцессоров в АСУ ТП...........71
5.2. Организация микропроцессорных систем управления..........74
5.3. Устройства, элементы микропроцессорных систем управления.76
5.4. Системы числового программного управления станками (СЧПУ).82
5.5. Системы управления промышленными роботами................86
Глава 6. ЭЛЕМЕНТЫ АСУ ТП......................................89
6.1. Классификация элементов АСУ ТП...........................89
6.2. Датчики..................................................90
6.3. Входные преобразователи..................................96
6.4. Управляющие системы и устройства.........................98
6.5. Выходные преобразователи................................105
6.6. Приводы исполнительных механизмов.......................106
6.7. Исполнительные механизмы................................110
Глава 7. РАЗРАБОТКА АСУ ТП...................................112
з
Глава 8. УПРАВЛЕНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ ПРОЦЕССАМИ
В ПРОМЫШЛЕННОСТИ................................................127
8.1. Измерители и регуляторы (как автономные системы)...........127
8.2. Автоматизированная система управления сушкой древесины.....130
8.3. Автоматизированная система управления газовой горелкой.....131
8.4. Автоматизированная информационная система (АИС) контроля
TAVunnArnuArtzuv папах* атгплп пплттагг!) мшиги tzunnuuq ITS
X V/kllVJIVI X* iwntl/k X X1|^4/XJ)4/V'V'XX V* J xxxxvxx xvxxpzxxxx . X _/<>/
8.5. Автоматизированная информационная система (АИС) контроля
технологических параметров и управления процессом обжига кирпича......144
ЗАКЛЮЧЕНИЕ......................................................154
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ...............................................155
4
ПРЕДИСЛОВИЕ
Целью дисциплины «Управление системами и процессами» является при-
обретение комплекса знаний и навыков для решения задач управления техниче-
скими системами и разработки автоматизированных систем управления техно-
логическими процессами.
7i>n!>UU HUPTTUnnUULT T/T QVUPUU А пгшипигтло vnnqnnpuua nqQnUUULTHU ТРТПЛ-
у XXX /ЦХХ VX-^XXXXJXXXXXXJX» XX^XJT ХЧ/ХХХХЧ/ ХХрЛХХХХХ-^ХХХХ VL» J XX|_'lXL>«fXW'XXXX-ZX |_Z«X^XUXXX XXXXAXXVXXX 1V/X11V
логическими системами и процессами, различных видов систем управления и
методик их проектирования. При этом в данной дисциплине предусмотрено:
- изучение видов объектов управления, сигналов систем управления, спо-
собов управляющего воздействия, классификации систем управления,
- изучение работы и основ проектирования дискретных систем управле-
ния,
- изучение работы и основ проектирования микропроцессорных систем
управления, систем числового программного управления (ЧПУ),
- изучение работы и основ проектирования непрерывных систем управле-
ния, систем автоматического регулирования (САР) технологических парамет-
ров.
В результате изучения дисциплины студент должен:
знать:
- задачи управления и виды объектов управления, виды сигналов, способы
управления различными видами объектов,
- принципы организации и методики проектирования дискретных систем
управления, программируемых логических контроллеров,
- организацию микропроцессорных систем управления и числового про-
W X* Ч ГГГГЧЛП ГГаГГГГЛ /иггхп
1 paivuvinui и уираол&нгш у,
- законы регулирования и организацию систем автоматического регули-
рования (САР);
уметь:
- разрабатывать комбинационные схемы управления,
- проектировать системы управления дискретными объектами,
- программировать логические контроллеры на определенную технологи-
ческую задачу (цикл),
- исследовать характеристики объектов управления;
владеть:
- методикой проектирования дискретных систем управления,
- навыками разработки алгоритмов управления дискретными объектами и
программирования логических контроллеров.
Полученные в результате изучения дисциплины компетенции позволят
участвовать в разработке современных систем управления технологическими
процессами.
В настоящее время по дисциплине «Управление системами и процессами»
отмечается малое количество учебной литературы. Отдельные положения со-
держатся в различных источниках по теории автоматического управления, ин-
форматике, электронике и пр. Данное учебное пособие разработано на основе
5
системного подхода к задаче управления технологическими объектами и со-
держит теоретические, практические и методические материалы для решения
этой задачи.
Разработанное учебное пособие может быть использовано для самостоя-
тельного изучения дисциплины «Управление системами и процессами» студен-
тами по специальности 15.03.05 «Конструкторско-технологическое обеспече-
ПТ1А HqrnTJUnpTnnUTAnLULTV rrrWWjr»Dr»nrr>1'D\\ /Ч/ПЛПАИГ. ПЯППЫЯТя'! Я ПГЯЬ-MZA ГПАГШ-
X1I1V XVXXXXXXXXXXKZV' X |^4ZXX X ЧАГХХЛХХХМ/Ъ. ХХ|_ЛWXX'JXXW/.^V' X XX<Z yjr |_ЛЧЛХЛЧ/ХХХЛ WVXXXX*JXVXX*|_JXXVX X vxy 2 VX XUXWXW VXXVl^IX
алистами при разработке автоматизированных систем управления технологиче-
скими процессами.
6
ВВЕДЕНИЕ
Управление является одной из самых важных и в то же время сложных
функций, связанных с организацией целенаправленной деятельности, одной из
которой является производственная деятельность, направленная на получение
определенной продукции (продукта). При автоматизации процесса управления
unn огр <hvuru*nurur vnnqnnpnua гтапpпйштра пгг-иглх* иртплйртпйи пй.
ХЧХЧ/ X XV XXUXXX ХЛЧи’Ч/ J XXХКЫ,ХXXX JT XX jZXXXZ.'XV'XXXXZX XX4/|Z4/^XXX4Z X Ч/ZX Ч/ХХЧ/Х^ХХХЫХХХХХХХХХТХ J Ч/ X |Z4ZXX4/ X XMXXVX}
ботающим без участия человека. При создании или выборе этих устройств
необходимо четкое понимание основных задач, которые призваны решать
управляющие устройства. Впоследствии мы будем рассматривать в качестве
объекта управления устройство или оборудование, осуществляющее опреде-
ленный процесс, направленный на получение заданного продукта.
управляющее
воздействие на ОУ
Drrni rrrz4T/* 1 г липа» * гтла гг«ллплппппгга«»гга А 'гтттлтттгтг , ггг*ллп rrairrrrr
1 nvynvix. i — V/iiv i wvmvc laDJivnnt ф^пдцпп уираол^ппл
На рисунке 1 показано системное представление функции управления. При
организации системы управления, с одной стороны, рассматривается процесс и
устройство (машина, оборудование) для его осуществления - объект управле-
ния. Результатом осуществленного процесса является продукт производства. С
другой стороны, для воздействия на объект используется управляющее устрой-
ство. Для организации системы управления необходимо создать связи между
объектом и управляющим устройством, обеспечивающие целенаправленное
взаимодействие между ними.
Процесс управления предусматривает, с одной стороны, получение ин-
формации о состоянии объекта управления, затем сопоставление полученной
информации с задачей управления, принятие соответствующего решения, и, с
другой стороны, управляющее воздействие на объект управления с целью из-
менения его состояния в соответствии с заданным законом. Закон управления
формируется на основе технологического процесса получения определенного
продукта. Кроме того, в реальных условиях при этом система испытывает воз-
мущающие внешние воздействия, которые должны быть учтены и соответ-
ствующим образом отработаны системой управления для максимального сни-
жения их влияния на требуемую функцию управления.
7
Глава 1. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ
Рассмотрим основные определения, связанные с изучением данной дисци-
плины.
Управление - это процесс воздействия на объект управления для измене-
ния его состояния по определенному заданному закону с целью получения
ЛГТПАПАПА1ТиГ»ГГ» ГТГ4Г» (ТШТЬГИ Pt'V'lX Х/ГТПЯППАИЫА ХЛГГЯ/ТГГ» ГТПА ПГТЯ OUTL FQV
ЧЛХХ|^Ч/^Ч/4ХЧ»'ХХХ1Ч/Х 4Z XV Х **• ХХ'ХГХ 1VV1VI1 ХХ|^ХХА'«'ХЧ>>’ХХГХЧ>>’ IVXWZXVAAW ЛЛ|_ЛX VXXZXX X XZ XXVXXV XX|^4/4Z4Z
разование и передачу информации между элементами системы управления.
Данный процесс может осуществляться непосредственно человеком либо с
определенным его участием (автоматизированный процесс), либо полностью
без участия человека (автоматический процесс).
Объект управления (ОУ) - это устройство (машина, оборудование) для
осуществления определенного процесса, над которым осуществляется функция
управления. При производстве продукции объектом управления являются тех-
нологические устройства, реализующие технологический процесс, обеспечива-
ющий получение заданного продукта.
Закон управления - это требуемое необходимое изменение состояния объ-
екта во времени в соответствии с технологическим процессом получения задан-
ного продукта или результата. Пример закона управления показан на рисунке 2.
Рисунок 2 - К понятию закона управления
Закон управления формируется на основе предварительных исследований,
опыта и создания на их основе технологического процесса производства (полу-
чения) определенного продукта (продукции). Так, например, для получения де-
тали с определенной прочностью осуществляется процесс термической обра-
ботки (закалки), который предусматривает ее нагрев до определенного значе-
ния температуры, выдержка и охлаждение с определенной скоростью.
Как правило, закон представляет собой зависимость изменения регулируе-
мого технологического параметра во времени, обеспечивающий получение
продукции определенного качества (свойства). При работе системы управления
фактическое изменение регулируемого параметра происходит с некоторым от-
клонением от заданного значения, что представляет собой ошибку управления,
которая также регламентируется заданным технологическим процессом.
Таким образом, основу любой системы управления составляет технологи-
ческий процесс получения определенной продукции.
8
Система управления - совокупность элементов, устройств, позволяющая
осуществлять заданную функцию управления.
Для изучения и понимания основных функций управления рассмотрим
системы управления с участием человека и автоматическую.
Система
человек машина
Система автоматического
управления (САУ)
а) б)
Рисунок 3 - Организация систем управления:
а) с участием человека, б) автоматической
В системе «человек - машина» (рис. 3, а) процесс управления осуществля-
ется следующим образом. Человеку извне поступает определенное задание на
управление в центральную нервную систему (ЦНС). После чего через рецепто-
♦чт т /л»чтггг т ттт тхчпг'ГтЛ гтлилгггг гл ллаттлипп тгтт/1ч/ч*ч* ип тттжтг ^гт*чтг^
рш апы 4)DtlDy V цимищыи ърсдъю VIиирал\.^ппл iinipvpiviau,riri ^HpilWpVD^
он получает информацию о состоянии объекта управления. Проанализировав
полученную информацию путем сравнения с заданием, ЦНС формирует опре-
деленный сигнал на управление объектом, для приведения его состояния в со-
ответствии с заданием. Данный сигнал реализуется органами движения челове-
ка (руки, ноги) через органы управления машины (рычаги, кнопки), изменяя его
состояние в соответствии с требуемым законом.
Для организации системы автоматического управления (САУ) (рис. 3, б)
все рассмотренные функции должны быть реализованы при помощи специаль-
ных устройств. Так, сбор информации о состоянии объекта управления осу-
ществляется при помощи датчиков, обработка информации производится при
помощи логических, вычислительных устройств, а воздействие на объект осу-
ществляется исполнительными механизмами с приводами.
Система автоматического управления (САУ) - это совокупность авто-
матических устройств, служащих для воздействия по определенному закону на
исполнительные механизмы объекта управления без участия человека.
Таким образом, в общем случае при управлении осуществляются следую-
щие функции:
1. Сбор информации о состоянии объекта управления в текущий момент
времени.
9
2. Обработка полученной информации, принятие решения и выработка
управляющих воздействий.
3. Непосредственное воздействие на объект в соответствии с принятым за-
коном управления.
Для решения указанных задач система управления должна содержать сле-
дующие основные элементы:
Объект
Сбор Преобра- Логическая, Преобразование Двигатель Непосредственное
информации зование, арифметическая (источник управляющее
о состоянии сравнение обработка энергии) воздействие
объекта сигналов
Рисунок 4 - Обобщенная структура системы управления и ее элементов
Управление осуществляется при помощи различных сигналов.
Сигнал - это определенный поток энергии, соответствующий измеренной
величине или управляющему воздействию, который может быть передан на
расстояние и соответствующим образом обработан. По сути, сигнал является
потоком данных, информации.
При управлении сложными системами задача управления разбивается на
липттапгт ттт та < ти/злт/м »/т Сгчгъ. птттгттаттттт тгвлапттгг I 1*лтгттаь t nr YvarTrmri хчтжтг'ттг» гг хчпг
шдипяшБ ^цидчип^ппы^ ^pvDnn. upm^ivi оылидпии viiinaji ui
верхнего уровня представляет собой задачу управления для нижнего уровня
1 уровень 2 уровень
3 уровень
Рисунок 5 - Организация управления сложной системой
Таким образом, общая задача управления разбивается на подзадачи, кото-
рые решаются отдельными управляющими системами на отдельных уровнях,
например, рисунок 6.
10
Загрузка станка
Обработка
Контроль
1 уровень 2 уровень
3 уровень
J*- Переместить суппорт 1
k
Переместить суппорт 2
k
Переместить суппорт 3
-> ------------------------------►
4 уровень
Рисунок 6 - Пример организации иерархического управления
сложной системой (производства)
Контрольные вопросы к главе 1
1. Системное представление функции управления.
2. Определения понятий:
- управление,
- объект управления,
- закон управления,
- система управления,
- сигнал.
3. Основные функции систем управления.
4. Элементы систем управления.
и
Глава 2. ОБЪЕКТЫ УПРАВЛЕНИЯ
2.1. Объекты, процессы управления
При создании САУ важнейшим моментом является определение парамет-
ров и характеристик объекта управления (ОУ).
C1V ппАпгтао патт мяпттлгпл игтплйгтоа шпташ.1 иятт ь-лтлпикш
Ч/Ч/WXX У j v> ipvrxv X ХЛЪХ^ Ч/ХХЧ/ X Ч/ХТХХ/Х} xwivpuinui
осуществляется функция управления, т. е. целенаправленное активное измене-
ние состояния ОУ по заданному закону в соответствии с необходимым процес-
сом. По сути, объект управления представляет собой устройство, машину, или
какое-то оборудование, предназначенное для осуществления определенного
технологического процесса или его отдельного этапа.
В теории управления ОУ рассматривается как некая система, предназна-
ченная для осуществления определенного процесса, состояние которой изменя-
ется под влиянием внешних возмущающих и управляющих воздействий [1, 2, 3].
X, управляющий (входной)
У, выходной сигнал
W, внешнее вОзмущающёё
воздействие
сигнал на ОУ
состояние ОУ,
регулируемый
параметр
изменение У во времени - процесс
Рисунок 7 - Системное представление объекта управления
Рассмотрим примеры объектов управления (рис. 8).
а) Печь для закалки деталей, представляющая собой отдельную камеру, с
помещенными внутрь ее деталями.
Выходным параметром У объекта является температура деталей в печи.
Этот параметр в конечном итоге определяет будущие свойства деталей.
Управляющим параметром X является температура нагревателя (не зави-
симо от его конструкции - ТЭН, газовая горелка и пр.).
Возмущающим фактором W является температура окружающей среды.
Степень влияния возмущающего воздействия будет определяться свойствами
теплоизоляции печи.
б) Самолет, представляющий собой более сложную систему с несколькими
параметрами на выходе (высота полета, скорость, курс и т. д.). Для управления
каждым из этих параметров создается отдельный контур, поэтому этот объект
представляет собой многоконтурную систему. Рассмотрим один из них -
управление высотой полета.
Выходным параметром У будет высота полета.
Управляющим параметром X является угол наклона элеронов.
Возмущающим параметром W является плотность и скорость встречного
потока среды.
12
X, температура»! О.У.
нагревателяу
W, температура
окружающей
среды
У, температура»
деталей в печи
W, плотность,
скорость
Печь Самолет
л) б)
Рисунок 8 - Примеры объектов
С точки зрения процессов управления и выполняемых функций различают
следующие виды объектов управления:
1. Дискретные.
2. Непрерывные.
3. Комбинированные.
1. Дискретные объекты представляют собой систему из нескольких ис-
полнительных механизмов, имеющих ограниченное (2-3) количество состоя-
ний. Управление этими объектами сводится к обеспечению определенной по-
следовательности перевода исполнительных механизмов в отдельные состоя-
ния (включить - выключить) во времени, то есть управление циклом. Это
наиболее простой случай управления объектом. Основной функцией управля-
ющей системы является логическая обработка сигналов (например, если сра-
ботал датчик 1 и температура достигла заданной, и если нет сигнала от датчи-
ка 2, то необходимо включить двигатель А).
Примеры: промышленный манипулятор, содержащий несколько исполни-
тельных механизмов дискретного действия (вперед - назад, зажим - разжим и
т. п.), работающий по циклу загрузки - разгрузки оборудования, станок-
автомат, контрольно-сортировочный автомат и т. п.
Для объектов 1 -го типа определяются все возможные состояния исполни-
тельных механизмов, и составляется циклограмма работы устройства в целом
(график состояний исполнительных механизмов во времени) - закон управле-
ния (пример, рис. 9). Циклограмма строится по отдельным шагам с указанием
в них действий отдельных исполнительных механизмов и впемени их выпол-
нения. Время действий отдельных механизмов определяется по справочникам,
расчетным путем или хронометражем. В каждом шаге возможна одновремен-
ная (параллельная) работа отдельных механизмов.
13
механизм действие вр 1111 Н 11111111111111111111111111 емя (с) 1 1 11 1 1 1 1 1 1 11 И 1 1 11 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1
А вперед
назад
Б зажим
разжим
в вверх НИ
вниз
Г вперед
назад 5 7
шаг 1 2 3 4 6
Рисунок 9 - Пример циклограммы работы автоматического манипулятора
2. Непрерывные (аналоговые) объекты характеризуются множеством со-
стояний выходного параметра У во времени. Управление этими объектами тре-
бует постоянного регулирования выходного параметра У путем постоянного
управляющего воздействия X. Примеры: печь для нагрева деталей, управление
скоростью обработки и т. п.
Для объектов 2-го типа составляется закон управления, в виде графика за-
висимости необходимого в соответствии с технологическим процессом выход-
ного параметра У во времени (рис. 10).
Для объектов 2-го типа важнейшими характеристиками являются стати-
ческая и динамическая характеристики, которые определяют возможность ре-
ализации заданного закона управления.
Статическая характеристика (функция преобразования) представляет
собой зависимость выходного параметра (У) от управляющего воздействия (X)
У = f(X).
Рисунок 11 - Статическая характеристика объекта непрерывного типа
14
Основные параметры статической характеристики:
К = ДУ/ДХ - коэффициент преобразования (усиления) - показывает,
насколько изменяется выходная величина У при определенном изменении
управляющего сигнала X.
ЗУ - ошибка регулирования (возникает при изменении возмущающего
воздействия W) - характеризует отклонение выходной величины У от среднего
ОиГЯЧАиГЫа ППП ЛППАПАПАиИЛМ ОИЯиТАиГГЛЫ Х/ГТПЯП ГГаШШАГЛ puruq ГГЯ Y И тИАиАИШЛ
JXXU XWXXXXZX XX^ZXX KZXX^Z4//^4/^X4/XXXXWXVX JXXU XV<XXXXXX J xx^zmzzxzxxKzi-i-^ v*x ч/ vxu xxuvxu z x. xx ixoxuvuvxixxn
возмущения W.
D - диапазон регулирования У - участок значений выходного сигнала, ис-
пользуемый для управления процессом. Как правило, принимается линейный
участок характеристики.
Статическая характеристика У = f(X) позволяет организовать управление
объектом по заданному закону. То есть, зная какую величину У необходимо
обеспечить в данный момент времени (по закону управления), определяется не-
обходимая величина управляющего воздействия X.
Статическая характеристика - это основная функция управления.
Динамическая характеристика отражает инерционность и устойчивость
объекта и представляет собой зависимость изменения выходного параметра У во
времени t при ступенчатом, скачкообразном управляющем воздействии X, т. е.
У = F(t) при X = sign(t).
Рисунок 12 - Динамическая характеристика для объекта непрерывного типа
Основные параметры динамической характеристики:
тз - транспортное запаздывание - характеризует запаздывание реакции
объекта на управляющее воздействие.
т - постоянная времени - отражает инерционность объекта, скорость изме-
нения выходного сигнала при управляющем воздействии.
Уп - перерегулирование - отражает устойчивость объекта, способность
возвращаться к установившемуся значению при возмущающем или управляю-
щем воздействии. Чем больше значение Уп, тем менее устойчивым считается
объект. При потере устойчивости Уп стремится к бесконечности.
15
8с - статическая ошибка - отклонение выходной величины У от заданного
значения Уз, которое определяется статической характеристикой при опреде-
ленном значении X.
Определение этих параметров может быть осуществлено графически по
динамической (переходной) характеристике по рисунку 12.
На практике можно определить время переходного процесса tn = тз + Зт,
ь-лтлпла уяпяь-тапглох/ат ппрк<а папаулття пanuunuti V ЛТ ИЯИГЯ ПЯ ОЛОПАЙРТОНа У
tX.XJ xvpw X Ч/ X ХЦ-ЛЧ^-ITXZX &ХЧ/^_ЛЧ//ХКХ^Ч4 XJ4/JXXX ХХХХХХ/Х «Л VI 1XU X4WXX* ХЛЧ/^^Ч/ХХЧи’X XJXXZX XX XX
до момента выхода на значение Уз.
Динамическая характеристика отражает динамические свойства объек-
та. Способность его реакции на внешние воздействия, возможность регулиро-
вания выходной величины с определенной скоростью, устойчивость.
3. Комбинированные объекты состоят из нескольких исполнительных ме-
ханизмов - дискретного типа и непрерывного. Они предусматривают управле-
ние последовательностью срабатывания отдельных дискретных исполнитель-
ных механизмов по заданному циклу с одновременным регулированием техно-
логических параметров исполнительными механизмами непрерывного типа.
Это наиболее сложный и наиболее распространенный случай управления.
Пример: Автоматическое устройство изготовления железобетонных изде-
лий. Осуществляется процесс - подача раствора, вибрирование, прессование
(цикл), температурная обработка по определенному температурно-временному
графику (регулирование), разборка формы, выгрузка изделия.
Для объектов 3 типа рассматривают изменение состояний отдельных дис-
кретных исполнительных механизмов и процессы регулирования непрерывных
исполнительных механизмов во времени. Пример циклограммы для объектов
комбинированного типа представлен на рисунке 13.
Рисунок 13 - Пример циклограммы работы комбинированного объекта
(закон управления)
16
Для организации системы автоматического управления (САУ) необходимо
с самого начала определить параметры ОУ и технологического процесса.
2.2. Сигналы управления
Сигналы в системах управления представляют собой основной носитель
ыгигКппмягттлтл С'мгигя ттгл ппагггтгго ггаглтга лгтАГТАПАИилй Лш'Шчаг'гглй ОАПиииПЛЙ
ххд^ч/^ч/х wxxjxzxxkz х ч/zx vxxp V^VUXVXXXXVXX l£SXX_>XX xwwxwxx uvjxxx xxxxxvxx^
XXXX\£S4Z|^XVX ЬХХ^ХХХХ*
которая характерна для определенного вида энергии.
Рассмотрим классификацию сигналов по виду энергии, получивших
наибольшее распространение:
вид сигнала параметр сигнала (физическая величина)
электрический ток, напряжение
пневматический расход, давление
гидравлический расход, давление
механический сила, момент
электромагнитный частота
световой световой поток, частота модуляции
магнитный магнитная индукция
акустический частота
комбинированный
Рисунок 14 - Классификация сигналов по виду энергии
В таблице (рис. 14) представлены виды сигналов в зависимости от вида
энергии и соответствующие физические величины, которые используются в ка-
тгалнппа nririrmnn /тгтт
itvint vru пала ^nnxpvpiviaxxnny.
По характеру сигналы различаются:
- аналоговые (непрерывные), которые непрерывно изменяются во времени,
- дискретные (импульсные), изменение сигнала во времени происходит
скачкообразно, а сигнал принимает ограниченное количество состояний (зна-
чений), обычно 2 или 3.
а) Аналоговые сигналы (линейные, нелинейные) б) Дискретные сигналы
Рисунок 15 - Характер сигналов в системах управления
17
Аналоговые сигналы легко преобразуются и имеют высокую плотность
информации, но при передаче искажаются, т. е. имеют плохую помехозащи-
щенность.
Дискретные сигналы имеют высокую помехозащищенность при передаче,
но характеризуются сложностью преобразования.
Так как сигналы являются носителем информации, рассмотрим, каким об-
ПОЧЛМ ЛИП ППАПРТ5>ПГГЯ1ЛТ ЛППАПАПА1ПП/1Л ОЛ ОПАИАЦМ
Аналоговые сигналы несут информацию непосредственно в самой вели-
чине сигнала, то есть в определенный момент времени t сигнал имеет опреде-
ленную величину (рис. 15, а).
Дискретные сигналы могут представлять информацию несколькими спо-
собами.
Дискретный сигнал, представленный на рисунке 15, б, несет минимальную
величину информации (1 бит). Для увеличения информативности применяются
следующие виды дискретных сигналов: амплитудно-импульсно модулирован-
ный (АИМ), широтно-импульсно модулированный (ШИМ) и цифровой
(рис. 16, а, б, в).
В)
Рисунок 16 - Импульсные дискретные сигналы
18
АИМ сигнал (рис. 16, а) формируется следующим образом. Сигнал (инфор-
мация) делится во времени на определенные периоды Т. Внутри каждого проме-
жутка вначале определяется значение величины сигнала Y и представляется в ви-
де импульса определенной амплитуды Аи и длительности to. То есть амплитуда
импульса Аи пропорциональна величине Y при Т = const и to = const.
ШИМ сигнал (рис. 16, б) формируется следующим образом. Сигнал так же
ПАпитга ол ппАМАии ио лппапапаишла ПАпилпит Т Rurxrmw Ь-ЯМ/ТТЛГЛ
X/4Z ХХ^УЧ/ХТХЧ/ХХХХ XXU 4ZXX£ZW^WZXVXXXXUXV ХХЧ/^УХХКУ/^ХХХ Л. • Л^Л-Л-J Х^УХХ ХХЪХУХХ/ЦКХХ Ч/ ХХ^УWXVX4/ZXVJ хххьх
вначале определяется значение величины сигнала У и представляется в виде им-
пульса определенной длительности tn и постоянной амплитуды Аи и периода Т.
То есть длительность импульса to пропорциональна величине Y при Т = const и
Аи = const. Отношение величины tn к периоду Т получило название скважность
S = ta/T.
В настоящее время все большее распространение получают цифровые сиг-
налы (рис. 16, в), ввиду наибольшей помехоустойчивости, практически неогра-
ниченной точности представления информации, используемые в вычислитель-
ной микропроцессорной технике. Они представляют собой комбинацию не-
скольких дискретных сигналов (разрядов) в определенный момент времени.
Сигнал также делится во времени на определенные периоды Т, внутри каждого
промежутка вначале определяется значение величины сигнала Y, которое пред-
ставляется в виде комбинации дискретных сигналов как двоичное число
(например, 011 - представляет значение Y, равное 3).
2.3. Способы управления объектами
Управление объектами (воздействие) определяется характером объекта,
гт*чтг гчлгхчш « гглгглггг г»ч гт/хлг/чгг nrrarr, гглгтггга К. , г,™
при jiuivi п vnujiD J у гм 1 мл v л м д у гищпс viivvwbi «рмрмирмвапил _у иравллгмьцм! м вил-
ДеЙСТВИЯ X.
Способы управления дискретными объектами.
Дискретные объекты имеют дискретные состояния У и управляются дис-
кретными сигналами X (рис. 17).
Рисунок 17 - Управление дискретным объектом
t
В данном способе для изменения дискретного состояния объекта У осу-
ществляется соответствующая подача дискретного сигнала X. Например, вклю-
19
чение, выключение электромагнита заслонки, захват детали манипулятором,
зажим детали в патроне и т. д.
Способы управления аналоговыми объектами
Управление аналоговыми объектами осуществляется несколькими спосо-
бами, которые применяются в зависимости от необходимой точности или
сложности системы управления.
• Дискретное (позиционное) управление,
у ____
Рисунок 18 - Дискретное позиционное управление непрерывным
(аналоговым) объектом
При этом способе для изменения состояния объекта У до определенного
заданного значения (коридор регулирования) производится подача дискретного
управляющего воздействия X (включение, выключение), что приводит к соот-
ветствующему непрерывному изменению выходного параметра объекта У. Мо-
менты подачи и отключения управляющего сигнала X определяются границами
заданного значения У. Например, включение X нагревателя - увеличение тем-
пературы У и при достижении определенного значения - отключение нагрева-
теля - снижение температуры и при выходе за пределы коридора - включение
X и т. д.
Данный способ не дает высокой точности регулирования, но обеспечивает
простую схему системы управления.
• Непосредственно аналоговое (непрерывное) управление.
Рисунок 19 - Непосредственно аналоговое управление
20
При непосредственно аналоговом способе управления осуществляется не-
прерывное управляющее воздействие X на объект. Величина этого воздействия
зависит от величины е - отклонения У от заданного значения Уз. То есть вели-
чина управляющего воздействия X = ks, где к - коэффициент пропорциональ-
ности.
• Управление ШИМ сигналом.
Рисунок 20 - Управление широтно-импульсно модулированным
(ШИМ) сигналом
Способ с использованием ШИМ сигналов предусматривает формирование
управляющего воздействия X в виде импульса определенной длительности tn
(ширины) и постоянного периода Т. Длительность импульса определяется спе-
циальными законами регулирования в зависимости от отклонения е = Уз - У и
выражается величиной скважности S = tn/T (например, время включения нагре-
вателя). Это один из наиболее часто применяемых и перспективных способов.
• Управление АИМ сигналом.
Рисунок 21 - Управление амплитудно-импульсно модулированным
(АИМ) сигналом
21
При АИМ способе формирования управляющего воздействия величина X
так же определяется исходя из величины отклонения е = Уз - Y, при этом
формируется импульс амплитуды X = ks постоянного периода Т.
Кроме рассмотренных распространенных способов управления применя-
ются специальные, обеспечивающие дополнительные возможности, которые
представлены в литературе [2].
2.4. Классификация систем автоматического управления
Классификация систем автоматического управления (САУ) проводится по
ряду признаков [3]. Рассмотрим некоторые из них.
Классификация САУ по виду энергии
вид системы управления уровни используемых сигналов характерные элементы
электрические напряжение 20-300 В реле, коммутаторы
электронные напряжение 0-10 В микроэлектронные элементы
механические сила кулачки, рычаги
пневматические давление 0,1-0,6 мПа мембранная техника, золотники, клапаны
струйные давление 0-10 кПа струйные элементы
гидравлические давление 1-10 мПа золотники,клапаны
комбинированные — —
Как видно, системы управления отличаются не только видом энергии,
используемой для управления, но и уровнем применяемых сигналов. Так,
например, электрические системы управления используют сигналы высокого
уровня, которые могут непосредственно управлять приводами, но при этом
невозможно обеспечить высокие скорости и объемы обработки информации.
Электронные системы управления обладают возможностью обрабатывать
большие объемы информации с высокой скоростью, но требуют преобразо-
вания (усиления) сигнала для воздействия на приводы исполнительных ме-
ханизмов.
Аналогичная ситуация наблюдается у пневматических и струйных си-
стем управления.
В приведенной таблице представлены виды систем управления, исполь-
зуемые уровни сигналов и характерные элементы, применяемые в этих си-
стемах.
Классификация САУ по виду программоносителя
Здесь основным признаком системы управления рассматривается вид
программоносителей, т. е. элементов для записи и хранения программ управ-
ления (рис. 22).
22
Системы автоматического управления
Рисунок 22 - Классификация систем управления по виду программоносителя
Классификация САУ по степени централизации (наличию обратной связи
(ОС))
Различают следующие системы управления:
1. Централизованные (временные, без ОС, разомкнутые).
2. Децентрализованные (путевые, с ОС, замкнутые).
3. Самоприспосабливающиеся (с дополнительными ОС, адаптивные и си-
стемы экстремального регулирования (СЭР)).
В централизованных системах управление осуществляется от центрально-
го командного устройства через определенные промежутки времени, которые
учитывают время выполнения отдельной команды. У этих систем отсутствует
ОС, поэтому они называются разомкнутыми (рис. 23, а).
Управление организуется путем последовательного преобразования задачи
управления в сигнал X, который обеспечивает состояние объекта У, что обу-
славливает относительную простоту систем управления.
Рисунок 23 - Схема централизованной, разомкнутой системы управления
23
В качестве основной управляющей функции в этом случае используется
статическая характеристика объекта У = f(X) (рис. 23, б), но при существенном
влиянии возмущающих воздействий W возможно возникновение больших по-
грешностей 8у. Кроме того, при работе системы управления возникают времен-
ные потери.
Если при работе схемы точность управления является недостаточной, то
ГТП1ЯГК4АГХСРТЧк РПАПЯТШПШи DWTT PUPTAMLT УППЯП ТТАКПига
£/Ч/ХХ.Ч/ХТХЧ>>’ХХ,Ц^ 4/ X 4/ZX XX£/XXXVX4/XXZX X ХЛ ЧЛГХЧ/'Ц^Г X4ZXX^XXXX ХЛХХ,Ц VI1V X 4/XVXXM. j xxp/xxxvzx4/xxxxxx«
В децентрализованных системах управления работу исполнительных ме-
ханизмов контролируют датчики обратной связи (ОС) (рис. 24). Поэтому си-
стема управления называется замкнутой, кроме того, ОС позволяет организо-
вать подачу последующих команд сразу после завершения предыдущих (по пу-
ти), при этом отсутствуют временные потери, как в предыдущей схеме.
При управлении ОС обеспечивает положение исполнительных механизмов
в соответствии с заданным, обеспечивая высокую точность управления. Связь
исполнительного механизма с ОУ при этом считается жесткой и определенной.
Рисунок 24 - Схема децентрализованной, замкнутой системы управления
с обратной связью
В самоприспосабливающихся системах кроме датчиков ОС используются
дополнительные датчики, контролирующие действительные параметры процес-
са, что позволяет получать дополнительные данные и вводить коррекцию в
процесс управления (рис. 25, а).
Рисунок 25 - Схема самоприспосабливающейся (адаптивной) системы
управления с дополнительными датчиками
24
Пример: компенсация износа инструмента на станках с ЧПУ (рис. 25, б).
Фреза по программе перемещается эквидистантно на величину Аэкв, при этом
на детали получается размер А = Аэкв - 2Rhhc, измеряя размер А и перемеще-
ние Аэкв можно определять износ инструмента и вводить коррекцию в про-
грамму, а при достижении износа определенной величины подавать сигнал на
замену инструмента. Таким образом, производится приспособляемость системы
Разновидностью адаптивных систем являются системы экстремального
регулирования (СЭР), которые могут работать в условиях неопределенных зави-
симостей выходного параметра У от управляющего воздействия X, имеющих
экстремальный характер (экстремум функции) (рис. 26).
Устройство
поиска
экстремума
Рисунок 26 - Схема системы экстремального регулирования
Допустим, что в состав объекта входит экстремальное звено, и зависимость
У = f(X) имеет характер, показанный на рисунке 27. При различных случайных
условиях W эта зависимость может меняться (смещаться и деформироваться).
Рисунок 27 - Зависимость выходной величины У объекта
от управляющего воздействия X, имеющая экстремальный характер
при различных условиях W
Эти системы в процессе работы при изменении внешних условий автома-
тически находят и реализуют оптимальный режим работы, т. е. задачей экстре-
мальной САР является автоматическое поддержание режима работы объекта,
соответствующего точке С, экстремума функции У = f(X) вне зависимости от
смещения характеристики (от W).
Например, необходимо обеспечить работу горелки с максимальной темпе-
ратурой независимо от состава газа. При этом зависимость температуры горе-
ния от расхода газа Qr имеет характер, показанный на рисунке 28 (с точкой экс-
тремума), и зависит от его состава.
25
Рисунок 28 - Система регулирования расхода газа для обеспечения
максимальной температуры горения независимо от его состава
Задачей этой системы является поиск экстремума Т°С, который чаще всего
определяется путем запоминания предыдущего значения параметра и сравне-
ние его с текущим значением.
При работе экстремального регулятора задается 5 - ошибка регулирования
и скорость изменения Qr (X), которая меняет знак (реверсируется) при откло-
нении Т°С от экстремальной точки на величину 8.
Работает система следующим образом: первоначально вентиль от двигате-
ля открывается с определенной скоростью, увеличивая расход газа Qr, что сна-
чала приводит к увеличению температуры Т°С, а затем к ее падению (вслед-
ствие неполного сгорания газа). При обнаружении устройством поиска экстре-
мума (УПЭ) максимального значения и падения Т°С на величину 8 устройство
управления (УУ) производит реверсирование вентиля и уменьшение расхода
ПППП n»r/\nr тттгпг гта»лп/\ггпггп ГГТ TTZX Ту» у л гчпппа** ¥/• гтп пагттпл 'ГОГ’
icua, niu dhudd нриоидш нсрпипачалопи n. pwij, a oaivxvi n. надпиши i
процесс повторяется. Таким образом, система совершает колебания около точ-
ки экстремума независимо от смещения его значения при изменении состава
газа.
Контрольные вопросы к главе 2
1. Воздействия и состояние объектов управления.
2. Виды объектов управления, примеры.
3. Характеристики объектов управления (циклограмма).
4. Характеристики аналоговых объектов (закон управления, статическая и
динамическая хапактепистики!
5. Классификация сигналов по виду энергии.
6. Классификация сигналов по характеру.
7. Способы управления дискретными объектами.
8. Способы управления аналоговыми объектами.
9. Позиционное управление.
10. Непосредственно аналоговое управление по величине ошибки.
11. ШИМ управление.
12. Классификация САУ по степени централизации.
13. Назначение и работа систем экстремального регулирования.
26
Глава 3. УПРАВЛЕНИЕ ДИСКРЕТНЫМИ ОБЪЕКТАМИ
Дискретные системы управления предусматривают управление дискрет-
ными объектами по определенному циклу. То есть управление в этих системах
сводится к обеспечению определенной последовательности действий (переме-
щений) отдельных исполнительных механизмов объекта управления. Основной
rhizuiriiMAii vrrnaD TTAurrrcr гтпы этап аопаАтга плгииА/чгаа лКпаКгугич! nurrnATULiv
4|Z J ХХХХХ^ХХЧ/ХХ JT XXprUXZZXV'XXXXZX XX^ZXX ^IVIU ZXXJZXZIW'X Ч/ZX ZX4ZX XX X4/WXVVXZX VV|JUWXX\U 'Цххч/хъргч/X XXXJXZX.
сигналов.
Рассмотрим пример реализации команды автоматического включения осе-
вой подачи пинольного шпинделя сверлильного станка (рис. 29).
ПриЬод подачи1
DflAt FXX/4XZ ОО 1 rrr*\nnrrarrrrrT r»na*\rrrr rrr xxzx^zx nnnnrrr^n
i ~ V'A.tavia pipaDJivnnA uD^pJitiJwnvi v Lianna
Для обеспечения функции f включения подачи сверла S необходимо полу-
чить информацию о наличии сверла XI и детали Х2, которая поступает от со-
ответствующих датчиков. Таблица состояний сигналов для обеспечения задан-
ной функции на рисунке 29 показывает, что сигнал f = 1 появляется только то-
гда, когда сверло в патроне есть (XI = 1) и деталь находится на рабочей пози-
ции (Х2 = 1).
Математическим аппаратом анализа и синтеза дискретных систем управ-
ления является двузначная алгебра логики (Булева алгебра).
3.1. Элементы алгебры логики, логические функции
Рассмотрим кратко отдельные положения алгебры логики, достаточные для
рассмотрения вопроса организации дискретных систем управления. Более полно
положения алгебры логики представлены в специальной литературе [4, 5].
Переменные обозначаются буквами X, У и принимают два значения:
О - ложь, отсутствие сигнала (0 - 1В).
1 - истина, наличие сигнала (4 - 5В).
27
Постулаты:
X = О, если X Ф 1; X = 1, если X 0; 0x0 = 0; 0 + 0 = 0; 0 = 1; 0 = 0
1X1 = 1; 1 + 1 = 1; 1 = 0; 1 = 1; О х 1 = 1 х 0 = 0; 0 + 1 = 1 + 0 = 1.
Соотношения:
Х+1 = 1;Х + О = Х;Х + Х = 1;Хх1 = Х;ХхО = О;ХхХ = О;Х = Х
X + X + X + X + - = X; X х X х X х X х ... = X.
Здесь и далее будем обозначать основные логические функции:
+ дизъюнкция, логическое сложение, И, AND;
х конъюнкция, логическое умножение, ИЛИ, OR;
- инверсия, отрицание, НЕ, NOT.
Законы:
Законы алгебры логики частично совпадают с обычными алгебраическими
(сочетательный, переместительный). Среди законов, наиболее применяемых в
синтезе систем управления, можно выделить:
Закон инверсирования:
XI + Х2 = XI х Х2; XI х Х2 = XI + Х2.
Правило Де Моргана: XI + Х2 = XI х Х2; XI х Х2 = М + Х2.
Производится преобразование произведения в сумму и обратно.
Закон поглощения:
XI + XI х Х2 = XI; XI х (XI + Х2) = XI.
V-t X.Z / v-l I Х/пА V1 Ч' VT. VI I V1 VO V1 I VT. V-t I V1 4' VO V1 I vn
Al A ^A1 T A.C.J — Al А Л4, Al T Al А Л4 — Al T Л4, Al T Al А Л4 — A 1 T ЛД.
Закон склеивания (распространения):
XI x X2 + XI x X2 = XI; (XI + X2) x (XI + X2) = XI.
Доказательство законов булевой алгебры осуществляется путем преобра-
зования или при помощи таблиц состояний для левой и правой частей уравне-
ний и последующего их сравнения.
Логические функции:
Логические функции используются для логической обработки дискретных
сигналов.
Логические функции одной переменной (всего 4 шт.).
Рассмотрим наиболее часто применяемые логические функции.
Логическая функция Состояния Обозначения элемента
XI F
Повторение, ДА 0 1 0 1 X 1 F
Отрицание, инверсия. НЕ 0 1 1 0 X 1 ( , F
28
Функция повторение используется в основном для нормирования дискрет-
ного сигнала, а отрицание - для инвертирования сигнала.
Логические функции двух переменных (всего 16 шт.).
Рассмотрим наиболее часто применяемые логические функции.
Логическая функция Состояния Обозначения элемента Применение
XI Х2 F
Дизъюнкция, 0 0 0 XI Применяется для вклю-
логическое 0 1 1 1 F нения устройства от лю- бого из 2-х конечных
сложение, ИЛИ, 1 0 1 —
OR 1 1 1 X2 выключателей
Инверсия 0 о 0 1 1 о XI 1 ( F
дизъюнкции, 1 п п —
НЕ ИЛИ 1 1 0 Х2
Конъюнкция, 0 0 0 XI — Применяется для вклю-
логическое 0 1 0 & F чения при одновремен- ном срабатывании 2-х
умножение. ' И, AND ' 1 0 0 —
1 1 1 Х2 1 конечных выключателей
Инверсия 0 0 1 XI —
конъюнкции, о 1 1 - & ,, F
Штрих Шеффера, 1 0 1 Х2
НЕИ 1 1 0
0 0 1
Равнозначность 0 1 0 XI — F Применяется для опре-
1 п л деления равенства дис-
1 1 1 Х2 — кретных сигналов
Неравнознач- 0 л 0 1 0 1 XI m2 F
ность (сумма по 1 А 1
модулю 2) 1 1 0 Х2
Импликация от 0 0 0 1 1 1 XI ( J F Применяется для сравне- ния больше - меньше и
XI к Х2 (если Х1>Х2, то F=0)
1 1 0 1 0 1 Х2 — ветвления программ управления
0 0 0 XI —
Запрет по XI 0 1 1 •1 F Применяется для запрета прохождения сигнала Х2
1 0 0 Y9
1 1 0
Логические функции являются взаимозависимыми и могут выражаться од-
на через другую. Это используется для реализации логических функций с при-
менением определенных базовых элементов. Наиболее распространенным
набором элементов является набор И, ИЛИ, НЕ, который позволяет реализовать
все логические функции, используя вышерассмотренные законы и соотноше-
ния. Логические элементы являются основой дискретных систем управления.
В зависимости от условий работы различают однотактные (комбинаци-
онные) и многотактные (последовательные) схемы.
29
В однотактных (комбинационных) схемах состояние выходов однозначно
зависит от состояния входов в данный момент времени (рис. 30, а). Работа
схемы отражается (задается) таблицей состояния, форма которой показана на
рисунке 30, б.
Рисунок 30 - Однотактные комбинационные схемы
XI Х2 ... fl f2 • ••
б)
Многотактные (последовательные) схемы обеспечивают работу автома-
тических устройств по определенному циклу во времени. В многотактных
схемах состояние выходов определяется состоянием входов в данный момент
времени, а также комбинацией входных сигналов, поступивших в предыдущие
моменты времени. Учет (запоминание) ранее поступивших сигналов осу-
ществляется при помощи элементов памяти (триггеров), схема триггера пока-
зана на рисунке 31.
"Drггттг>тл *21 f^rrnrrn rrr г nv/чпа rr nr ¥v/\na nrt\rrr>r'a*\n
1 ntynuR j i — V/tii палы па олидс; п оылид^ iptn i tpa
Элемент памяти - это устройство, в котором при поступлении входного
сигнала XI на вход S состояние выхода F меняется на противоположное и
остается неизменным после снятия входного сигнала XI. Для возврата тригге-
ра в начальное положение необходима подача сигнала Х2 на вход R.
Последовательные схемы, как правило, имеют три основных блока: блок
памяти, блок логики и блок памяти состояния исполнительных механизмов.
Блок памяти состоит из элементов памяти и служит для организации управле-
ния по последовательным шагам, для запоминания сигналов в отдельном ша-
ге. Блок логики состоит из комбинационных элементов и служит для логиче-
ской обработки сигналов от датчиков и блока памяти. Блок памяти состояния
исполнительных механизмов запоминает управляющие сигналы, поступившие
на исполнительные механизмы (рис. 32). На вход схемы подаются сигналы Xi
от датчиков, которые обрабатываются, и на выходе схемы формируются ко-
манды Zk на исполнительные механизмы автоматического устройства.
30
сигналы Х1 отдатчиков хз Х4 Хп блок памяти блок логики блок памяти исполни- тельных механиз- мов Z1 Z2 команды на Z3 исполнительные 24 механизмы Zk
Рисунок 32 - Последовательная схема управления циклом работы
Работа последовательных схем описывается циклом или циклограммой.
Описание цикла представляется в виде таблицы (рис. 33) и содержит перечень
шагов цикла и описание действий отдельных исполнительных механизмов в
каждом шаге.
ШЯГ мбХаНИЗмЫ, ДбИигБИб
Рисунок 33 - Форма таблицы описания цикла
Для наглядного отражения цикла работы на основе описания цикла и
принципиально-структурной схемы автоматического устройства строят гра-
фическую схему алгоритма (граф ситуаций), который изображается в виде
г» « по па»\»тгт»»т yy ТЗа*лтттyyyyy т zx^zxrYYYn»Ynyzxht>z>yy z\Yi«»m r^Y/*YYZ4z>«r»rrw <yy
графа, tutiwuncivi ио осршип и pcvcp. исршнпы ииидпапаплъл vnp^лшикллми v
указанием в них номера шага (кадра) программы. Ребра изображаются в виде
стрелок, соединяющих последовательные вершины. Вершины соответствуют
определенным командам Z (включение, отключение приводов), которые вы-
полняются в отдельном шаге и обозначаются рядом с вершиной, а ребра отра-
жают переход от одной вершины (шага) к другой в направлении перехода от
одного шага к следующему (по циклу). Около ребра указываются логические
условия перехода, которые представляют собой совокупность сигналов X от
датчиков, свидетельствующих о выполнении предыдущих команд и необхо-
димых для выполнения последующих.
Если устройство при определенных условиях должно выполнять какие-
либо дополнительные (альтернативные или параллельные) действия, то все
они изображаются в виде отдельных ветвей на одном графе.
Поэтому на графах различают два вида ветвлений - альтернативные и па-
раллельные, которые изображаются, как показано на рисунке 34.
31
альтернативное ветвление
а) обычный последовательный граф
б) граф с альтернативными
ветвлениями (ИЛИ)
в) граф с параллельными ветвлениями (И)
г) граф с петлей
Рисунок 34 - Виды графических схем алгоритмов (графов)
В зависимости от циклов работы устройства графы могут иметь следую-
щие виды:
111111 HI М Л Tt S1 Л X» X» МЛ Х> п 1 111 А. ЭИ „Ч v п«лпглт'а*латт ттпг/тг тттжтт тхг ттхч
/шслсииоишслопош срицу а) ларалхсрсп длл ииычпыл ни-
следовательных циклов работы устройств. Например, работа промышленного
робота для загрузки пресса.
Граф с альтернативными ветвлениями (рис. 34, б) отражает работу
устройств, у которых при определенных условиях возможно изменение после-
довательности работы исполнительных механизмов (варианты). Например, ра-
бота контрольно-сортировочного автомата, производящего сортировку деталей
в зависимости от их размера (брак+/брак -/годно).
Граф с параллельными ветвлениями (рис. 34, в) характерен для устройств,
в которых предусмотрена параллельная (одновременная) работа исполнитель-
ных механизмов. Например, работа сборочного автомата при выполнении диф-
ференцированного технологического процесса, т. е. одновременная работа ме-
ханизмов на различных рабочих позициях.
Граф с петлей (рис. 34, г) характерен для устройств, у которых при опре-
деленных условиях производятся дополнительные действия. Например, работа
контрольно-ориентирующего автомата (петля отражает работу механизмов,
обеспечивающих кантование детали при ее неправильной ориентации).
32
3.2. Синтез однотактных комбинационных схем
Однотактные схемы применяются для реализации логических условий по-
дачи команд в системах управления. Обычно синтез однотактных схем выпол-
няют при помощи таблиц состояний или по методу Карно [5].
Рассмотрим методику синтеза однотактных схем на примере (рис. 35).
1. Схема устройства и описание алгоритма работы.
Рисунок 35 - Схема управления пневмоцилиндром
Алгоритм работы, шток пневмоцилиндра должен выдвинуться при сраба-
тывании двух из трех датчиков. По условиям работы - одновременное срабаты-
вание трех датчиков невозможно.
2. Таблица состояний.
На основе описания алгоритма составляется таблица значений выходно-
го сигнала f для различных возможных комбинаций входных сигналов Xi.
Первоначально в таблицу заносятся все входные сигналы X и построчно
определяются их возможные комбинации, затем для каждой комбинации в
соответствии с алгоритмом работы проставляются значения выходных сиг-
налов f (рис. 36).
Рисунок 36 - Таблица состояний для заданного алгоритма
* данное состояние по условиям работы является невозможным
33
3. Преобразование таблицы в алгебраическое выражение.
Переход от табличного изображения к алгебраическому осуществляется по
следующей методике:
1. Выделить в таблице состояний строки со значением f = 1 или f = О, те,
которых меньше.
2. При варианте f = 1: для каждой, отмеченной строки выписать элемен-
TanULlA nnnUQOAHAUUa (EnUtlAUEirUul npnAMAUntlV ИГ mATTUUUTL urv QU-JEOM
А yXVV/XX XJXWX ХХ\-1-ЦХХХХу VXVX4/XXXXXJXZX XX WV^XXXXIXXJJ XXZX. ^JXXt*XVV/lVX 4/ J XVX4VXXJX
(дизъюнкции).
3. При варианте f = 0: для каждой, отмеченной строки выписать элемен-
тарные суммы (дизъюнкции) инверсий переменных и соединить их знаком
произведения (конъюнкции).
В соответствии с чем функцию f включения пневмоцилиндра можно пред-
ставить следующим образом:
f = XI х Х2 х ХЗ + XI х Х2 х ХЗ + XI х Х2 х ХЗ.
(3-1)
Как можно заметить, для реализации данного выражения необходимо со-
вершить 11 элементарных логических операций (3 инверсии, 6 умножений и 2
сложения). Для сокращения их количества и, следовательно, для сокращения
количества элементов схемы проводится преобразование алгебраического вы-
ражения.
4. Преобразование алгебраического выражения.
Примем в таблице (рис. 36) значение f = * равным f = 1. При этом можно
предположить, что это не отразится на логике работы схемы, так как данное со-
стояние входных сигналов является невозможным.
ГГпЫ 1ТЛА4 ПКТИЯ-ЯГРЫЬГЯ ГТ 13 ПЛП\Л1ИМ‘
Л. VZXVX ХХ^ WX£S VWXVWXXXX-^X * У XAXZZX^ АЖХХТХ*
f = XI х Х2 х ХЗ + XI х Х2 х ХЗ + XI х Х2 х ХЗ + XI х Х2 х ХЗ.
Из соотношений Булевой алгебры известно, что Х + Х + Х+... = X, по-
этому повторим последнее слагаемое 3 раза и объединим в пары с остальными:
f = (XI х Х2 х ХЗ + XI х Х2 х ХЗ) + (XI х Х2 х ХЗ + XI х Х2 х ХЗ) +
+ (XI х Х2 х ХЗ + XI х Х2 х ХЗ).
Рг по г*т/*г\^тлтх гч тттхттптлгчпт то> гто>»чо>шдо>ттттт та*
UDinvvuivi эа vi\.vvFi\.ri iF^nnaiwFDDiv nvpvivivnnoiv.
f = Х2 х ХЗ х (XI + XI) + XI х ХЗ х (Х2 + Х2) + XI х Х2 х (ХЗ + ХЗ).
Но так как X + X = 1, окончательно имеем:
f = Х2 х ХЗ + XI х ХЗ + XI х Х2.
(3-2)
Как можно заметить, для реализации окончательного выражения требуется
выполнение только 5 элементарных логических операций.
34
5. Построение схем.
На основе полученного выражения (3.2) строится схема в следующем по-
рядке. Первоначально слева на схеме наносят обозначения датчиков и сигналы
от них, а затем наносят обозначения логических элементов, при помощи которых
будет произведено выполнение логических операций, соответствующих полу-
ченному выражению. При этом последовательность реализации логических one-
ПДТТТЛГТЛ
ггАггх/илтпда* тшпАпгма ПАПАМАПпиу _______________ гглити/млгтттлгаг
nUQl_
юнкция (сложение). Если знак инверсии объединяет целое выражение, то пер-
воначально необходимо реализовать его, а затем произвести инверсию при по-
мощи соответствующих элементов.
Схема, выполненная в соответствии с выражением (3.2), представлена на
рисунке 37 и содержит 5 логических элементов.
Рисунок 37 - Комбинационная схема включения пневмоцилиндра
В некоторых случаях при составлении схем возникает необходимость реа-
лизации логических функций только на базе тех или иных логических элемен-
nnnv Т-Тг»гтг»ч»г* гга» lArrnmn TzTTTTzT T_TTu TzTTTTzT
хал. xxaxxprxivi^p, па иазс jJxcivxcnxvD win- xxj_> win.
Рассмотрим реализацию вышеприведенной схемы на базе элементов ИЛИ -
НЕ ИЛИ. Для этого в алгебраическом выражении функции f необходимо про-
извести преобразования логических операций умножения в операции сложения,
что можно сделать при помощи правила Де Моргана. После преобразования
получим:
f = Х2 + ХЗ + М + ХЗ + XI + Х2.
Для данного выражения схема будет иметь следующий вид (рис. 38).
Рисунок 38 - Комбинационная схема включения пневмоцилиндра
на элементах ИЛИ - НЕ ИЛИ
35
Практическая реализация рассмотренных схем может быть осуществлена
при помощи серийно выпускаемых микроэлектронных элементов, либо специ-
ально разработанной интегральной схемой (ИС), которая объединяет все эле-
менты схемы в одной сборке (корпусе).
3.3. Программируемые логические контроллеры (ПЛК)
Программируемые логические контроллеры (ПЛК, англ. PLC - Program-
mable Logic Controller) являются идеальным средством для создания дискрет-
ных систем управления различными объектами. Ниже рассмотрены основные
представления о ПЛК и способах их программирования. Рассмотрены только
основные функции и команды устройства. Более детальное описание и полный
перечень функций, команд представлен в документации к определенной мо-
дели ПЛК. ПЛК представляет собой контроллер, наделенный множеством функ-
ций управления. Для организации системы управления ПЛК содержит несколько
входов X для подключения входных устройств (датчиков, конечных выключате-
лей) и несколько выходов У для подключения внешних устройств (приводов ис-
полнительных механизмов: двигателей, электромагнитов, клапанов), предназна-
ченных для непосредственного воздействия на объект управления.
дискретные сигналы от входных устройств системы управления:
датчики, конечные выключатели, контролирующие состояние
исполнительных механизмов и параметров технологического процесса
связь с
компьютером
по RS 232
U > U
дискретные сигналы на выходные устойства системы управления:
приводы исполнительных механизмов
Рисунок 39 - Схема программируемого логического контроллера
Для организации управления в контроллер записывается программа управ-
ления. Для написания и отладки программ используется пакет программирова-
ния WPLSoft. В нем используются три языка программирования: LAD (релей-
но-контактной логики или лестничных диаграмм), IL (список инструкций), SFC
(последовательные функциональные диаграммы).
Язык релейно-контактной логики является более наглядным и предпочти-
тельным.
Процесс программирования заключается в построении т. н. релейно-кон-
тактных схем.
Большинство производителей ПЛК используют стандартный инструмент
программирования - язык ступенчатых Диаграмм LAD (Ladder Diagramm), ко-
36
торый иначе называется как релейно-контактные схемы. Данный язык является
универсальным средством отображения схемы, алгоритма автоматического
управления. При этом контроллер представляется в виде множества вирту-
альных элементов (нормально-открытые контакты, нормально-закрытые
контакты, катушки, таймеры, счетчики, вычислители специальных функций,
ячейки памяти с данными), позволяющих обрабатывать комбинации входных
пигиапло ПЛ ЛППАТТЛПЛ1Ш1.ГМ nnrtrUPPVUM П ХДЯ'ГАКДЯ'ГЫЧАГ'Ь’ЫХД ы Алгшипл.
Ч/ХХХ ХХЧ/ Ч/ХХ^-ЛЧ/^ V“JX 4<<XXXXXJX1VX JXVX XX ХЧ/Ч/ХЛ.ХХХТХ XX XVX4XX Ч/XVXIXXXX Х.Ч/Ч/ХЧХХХТХ -J4*X\4/XX4*1»X XX Ч^/Ч/^-ЛХТХХХ^-Л ч/
вать на выходе управляющие команды для исполнительных механизмов в соот-
ветствии с принятой задачей управления объектом.
Внутренние объекты ПЛК (контакты, катушки, реле и пр.) называются
операндами. В таблице представлены основные операнды, их назначение и обо-
значения в схемах при программировании на отдельных примерах.
Процесс программирования при использовании LAD языка сводится к по-
строению схем, работа которых осуществляется периодическим сканированием
программы управления контроллером.
Логику формирования релейно-контактных схем можно подразделить на
две группы: комбинационную и последовательную.
Комбинационная логика.
При данной логике схема состоит из независимых друг от друга фрагмен-
тов (схем). Входы и выходы различных фрагментов не оказывают никакого
влияния друг на друга. При этом определенная комбинация сигналов X на вхо-
де обеспечивает определенную комбинацию сигналов Y на выходе, которая за-
дается конфигурацией фрагментов схемы.
Рисунок 40 - Релейно-контактная электросхема (а) и
релейно-контактная логика в ПЛК (б)
37
Внутренние объекты ПЛК, операнды
операнд назначение обозначение в схемах, функция
X входы, входные контакты X |— нормально разомкнутый контакт X нормально замкнутый контакт Г 1
Y выходы, выходные контакты —(у ) включение, замыкание выходного контакта 1 | 1 включение, замыкание выходного оЬ 1 1Y 1 ь J контакта с запоминанием rzzт I v I отключение, размыкание выходного KS1 1Y 1 11 контакта с запоминанием
М маркеры, внутренние реле, двоичная память ~~|SET |М| включение внутреннего реле м контакты внутреннего реле
С счетчики —~|CNT |С |К | организация счетчика С |_ контакты счетчика
т тайчАпи X ьххххтхч/^лххх —|TMR|T |К | организация таймера т |— контакты таймера
S шаговые реле, для организации последовательного цикла —| SET JM1 включение шагового реле —S контакты шагового реле ——[ret] возврат к шаговому реле
к десятичная константа |К20|
н шестнадцатеричная константа |H2FA5|
D регистр, ячейка данных —[МОУ|Р |К | запись числа К в ячейку D
38
В примере на рисунке 40 показаны два варианта реализации функции
управления: при помощи обычной электросхемы (рис. 40, а) и программы ПЛК
(рис. 40, б).
Схема 1 состоит из одного нормально-разомкнутого контакта Х0 (вход Х0) и
соединенной с ним катушки Y0 (выход). При отсутствии сигнала Х0 (Х0 = 0,
разомкнут, выключен) контакт не замкнут, и выход Y0 отсутствует (контакт на
ОГ-ГУППА VO n!>r>r»X41ZlTVT VO = Л Ь-аТХ/ТГГЬ-а rYrrniAUAn-ll Ппиг DIZniZMIAUUU YO (
ХЛХЛЖ/Ъ.ЧУ/ЦЧ/ Л V ^yV*^JWlTX*X-l* J X J X \Z XXX* X J ХХХХКЪХ VX1W1XV ХЧ/ХХЪ*у« xxpxx UXWXXV XVXXIXJX Л X.V y_Jt*XTXXJXXXX*
нии, X0 = 1) контакт замыкается, и появляется сигнал на выходе Y0 (контакт на
выходе Y0 замыкается, Y0 = 1, катушка включается). При отключении Х0 (Х0 = 0)
сигнал Y0 также исчезает (Y0 = 0).
Таблица состояний:
Уравнение: Y0 = Х0.
хо Y0
0 0
1 1
Схема 2 состоит из одного нормально-замкнутого контакта XI (вход XI) и
соединенной с ним катушки Y1 (выход Y1). При отсутствии сигнала XI (XI = 0)
контакт замкнут, и на выход Y1 поступает сигнал (Yl = 1, катушка включена).
При включении XI (XI = 1) контакт размыкается, и сигнал на выходе Y1 исчеза-
ет (Y0 = 0, катушка выключается). При отключении XI сигнал Y1 появляется
вновь (Yl = 1).
Таблица состояний:
Уравнение: Yl = XI.
XI Y1
0 1
1 0
Схема 3 состоит из двух нормально-разомкнутых контактов Х2 и ХЗ (вход
Х2, ХЗ), соединенных параллельно. Работа схемы обеспечивает включение ка-
тушки Y2 = 1 при включении одного или другого контакта Х2 или ХЗ, таким
образом, схема реализует логическую функцию сложения, (ИЛИ, дизъюнкции,
OR).
Таблица состояний:
Уоавнение: Y2 = Х2 4- ХЗ.
1
Х2 ХЗ Y2
0 0 0
п 1 1 1 1
1 0 1
1 1 1
Схема 4 состоит из двух нормально-разомкнутых контактов Х4 и Х5 (вход
Х4, Х5), соединенных последовательно. Работа схемы обеспечивает включение
катушки Y3 = 1 при одновременном включении одного и другого контакта Х4
или Х5, таким образом, схема реализует логическую функцию умножения (И,
конъюнкции, AND).
39
контакта Х6 (вход Х6), нормально-разомкнутого контакта Х7 (вход Х7) и по-
следовательно включенного с ними нормально-разомкнутого контакта ХЮ, а
также соединенной с ними катушки Y4 (выход Y4). Состояние выходного сиг-
нала Y4 в этом случае будет зависеть от состояния трех входных контактов Х6,
Х7, ХЮ. Выход Y4 будет замкнут (Y4 = 1, включен) когда выключен Х6 и
включен ХЮ или когда включены одновременно Х7, ХЮ.
Общая схема (рис. 40) является комбинацией пяти схем, работающих неза-
висимо друг от друга.
В процессе работы ПЛК происходит периодическое сканирование про-
граммы с определенной частотой, которая зависит от размера программы и
быстродействия контроллера. При этом операции выполняются слева направо и
сверху вниз. Эту особенность необходимо учитывать при разработке программ.
И этим принципиально отличается программа ПЛК от обычной электрической
схемы. Так, например, если в начале программы переменной Y присвоить зна-
чение 1, а затем 0, то при выполнении программы Y будет всегда иметь послед-
нее значение = 0. То есть нельзя реализовывать одну и ту же функцию при по-
---- „„„
мищи р<Х5НЫА UACM, JLV UmWURd, пужни UUUiaiSJLMLb функции BKJLtVHCHtl» —
выключения одного устройства с учетом всех логических условий в одной схе-
ме.
Последовательная логика.
В схемах с последовательной логикой реализуется управление по шагам
(цикл). Организация отдельных шагов осуществляется при помощи шаговых
реле S, которые имеют особенность автоматического отключения при включе-
нии другого шагового реле. Шаги осуществляются в виде последовательных
цепочек. В каждом шаге выполняются определенные команды. При переходе к
40
следующему шагу предыдущее реле отключается, и все содержащиеся за ним
команды выполняться не будут. Пример программы представлен на рисунке 41.
Рисунок 41 - Программа ПЛК для реализации
последовательной логики (цикла)
Шаг 1
Шаг 2
ШагЗ
При срабатывании XI включится шаговое реле SO, и произойдет переход к
шагу 1, при этом произойдет включение Y0, и при каждом последующем скане
ПТ ТГГЛ ГГТТГТППГ Т «ЛПЛГГЛ nrZ45T/-zarr»Tr ТТГ ГТ ** Л Г» Л лт «лагга сл ™
иудсх иошилплюъл upvi paivuvixM, paviivjiv/rvtnnoiii vnpaua vi pvjiv ov ди
тех пор, пока не сработает ХЗ, после чего произойдет включение следующего
шагового реле S1 (переход к следующему шагу 2), при этом реле SO будет от-
ключено, и участок программы, расположенный справа от него, выполняться не
будет. После этого будет выполняться участок программы справа от реле S1, в
котором произойдет отключение Y0 и включение Y2, затем по сигналу Х4 про-
изойдет включение шагового реле S2 (переход к шагу 3), в котором выполнится
отключение Y2, и по сигналу Х5 произойдет переход вновь к шагу SO. Таким
образом, будет осуществляться повторяющийся цикл, состоящий из 3 шагов.
Для возврата к шаговым реле применяется команда RET. В конце программы
ставится команда END, которая после каждого скана выставляет значения вы-
ходных сигналов, полученных при его выполнении в зависимости от состояния
входных и внутренних сигналов.
Примеры реализации некоторых команд
Пример: Самоблокировка выхода Y1 с приоритетом Стопа.
При нажатии кнопки Старт XI произойдет замыкание катушки Y1. При
этом замыкается и контакт Y1. При нажатии кнопки Стоп Х2 цепь разомкнется,
и катушка (выход) Y1 отключится не зависимо от состояния кнопки XI.
41
Поэтому данную схему называют приоритетом Стопа:
ГГпГЛГМАП* Л"’/ТГ /?1UYZ1/Vt Г* MFM/Z1F>»/WZ7WZ11./ ("*УППГ\тн
Л. Ар/ХЛЛТЛЧ>р/ • VzVVJFtlZlA'flZfM'tfz'lZUIW* UUt/Vl/l/14 V- Г •’V'fr •’iz./»'»
При нажатии кнопки старт XI произойдет замыкание катушки Y1. При
этом замыкается и контакт Y1. При нажатии кнопки Х2 цепь не разомкнется, и
катушка (выход) Y1 останется включенной.
Поэтому данную схему называют приоритетом Старта:
Пример: Самоблокировка выхода с использованием команд SET и RST.
Программа выполняется сверху вниз, поэтому при одновременном замы-
кании XI и Х2 катушка (выход) Y1 сначала замкнется, а затем разомкнется.
При этом в конечном итоге состояние выхода определяется кнопкой Стоп.
Поэтому данную схему называют приоритетом Стопа:
XI ____________
-----1 |— SET |~
X2
-----1 |—| RST Y1
Даная схема с приоритетом Старта:
Пример: Самоблокировка выхода с использованием энергонезависимого ре-
ле М512.
1/*_~___СТТ’Т* -- ПОТ ____________ — ~____________—___________—__~~______
киманды о£,1 и IKO1 замыкаю! и размыкаю! реле mjix, кич ирис сиитьсг-
ственно включает или выключает выход Y1. Но так как реле М512 энергонеза-
висимое, то состояние выхода Y1 при отключении питания сохраняется, и при
возобновлении питания состояние выхода будет восстановлено.
42
Пример: Применение таймера для формирования импульса определенной
длительности.
При нажатии кнопки XI включается выход Y1, и одновременно замыкает-
ся контакт Y1, вызывая самоблокировку и включение таймера Т2. При истече-
нии 1 с произойдет включение контакта Т2, но так как он инверсный, то про-
изойдет его размыкание и отключение Y1. При этом произойдет и отключение,
и сброс таймера Т2. Примечание: дискретность таймера 0,1 с.
Пример: Применение таймера для создания генератора импульсов.
Вариант 1
Генератор формирует импульсы с заданной продолжительностью (10 с) и
паузой (20 с). При нажатии кнопки XI происходит включение выхода Y1 и
таймера Т1. Через 10 с происходит замыкание контакта таймера Т1, отключе-
ние Y1 и включение таймера Т2. Через 20 с таймер Т2 сработает, и включится
(разомкнется) контакт Т2, что приведет к размыканию цепи, сбросу таймера Т1,
отключению контакта Т1 и сбросу таймера Т2. Далее цикл повторяется до мо-
мента отключения кнопки XI.
Вариант 2
43
В этом варианте применены шаговые реле S. При переходе к шагу SO и
нажатии кнопки XI происходит включение выхода Y1 и таймера Т1. При исте-
чении 10 с произойдет замыкание контакта таймера Т1 и переход к следующе-
му шагу, при этом реле S20 включается, а реле S0 отключается, вызывая от-
ключение Y1 и сброс таймера Т1. В шаге S20 повторяется аналогичный цикл с
таймером Т2 (20 с), после чего происходит возврат к шагу S0 и повторение
Алпмиплоаипа ппмпх/гп.г'лп
ЧУ|-ЛХГХХХ|-ЛКУХЛМХХХХ/Х XXAVXXX J JlUVVUi
Пример: Применение обычного счетчика импульсов С1 от входа Х7.
При переходе к шагу S0 и при поступлении 20 импульсов от кнопки Х7
произойдет срабатывание счетчика С1, включение (SET) выхода Y1 и переход к
следующему шагу цикла (S20).
Пример: Применение высокоскоростного счетчика импульсов С235, аппа-
ратно связанным с входом Х0.
При запуске шага S0 включается (SET) выход Y1 (двигатель вперед), и
происходит перемещение до срабатывания ХЮ (конечный выключатель), при
этом будут суммироваться (INC) передние фронты импульсов от датчика Х0 в
ячейке D1. Затем (в следующем шаге S20) от полученного количества D1 им-
пульсов вычитается (SUB) число 20 и помещается в D2, двигатель включается в
обратном направлении (Y2), и производится подсчет количества импульсов от
44
датчика ХО в счетчике С235 до значения D2, после чего производится останов
привода в положении, не доходя до исходного 20 импульсов от датчика ХО.
Примечание: если вход ХО использовать в обычном режиме, то он не будет
воспринимать высокую частоту поступающих сигналов (более 50 Гц). Для
обеспечения работы входа в высокоскоростном режиме в программу необходи-
мо ввести команду с указанием высокоскоростного счетчика DCNT С235 (акти-
оапиа ovnnq YCH
Рекомендации по составлению программ:
• Первоначально необходимо организовать инициализацию процесса, в ко-
торой устанавливаются начальные значения (состояния) выходов, счетчиков,
шаговых реле, и др. операндов.
• Сбрасывать состояния счетчиков, таймеров при повторных циклах.
• При последовательных алгоритмах использовать шаговые реле.
• Следить за областью использования операндов (счетчиков, таймеров,
входов).
л ТЛагглутг плппнпг nrrarrrin ттт ттт та *ла ттл «лапттлиплг т ттгттт «лагттагттггт лгта»тттп ггг ттт tv г»г» пптт
* vxivj-i'Hajwrwiv pvjxv, pvx nt ipw Длл ptmtnnz vnvu,ziajii>rwiA оаДач.
• Учитывать порядок обработки операндов, инструкций и специфику ска-
нирования программы.
3.4. Синтез многотактных последовательных систем управления
с применением ПЛК
Одним из средств для реализации цикловых систем управления являют-
ся программируемые логические контроллеры (ПЛК, PLC). ПЛК имеет мно-
жество входов X для подключения конечных выключателей, датчиков и
множество выходов Y для подключения приводов исполнительных механиз-
мов, а сам ПЛК представляет собой программируемое микропроцессорное
устройство, позволяющее реализовывать самые разнообразные алгоритмы
управления.
Рассмотрим методику синтеза дискретных систем управления на приме-
ре разработки автоматического устройства для получения отверстий в
призматических деталях.
Этап 1: Принципиально-структурная схема
Исходным материалом для построения системы управления является
принципиально-структурная схема автоматического устройства (рис. 42) и
описание цикла работы его исполнительных механизмов в соответствии с
технологическим процессом.
Автоматическое устройство состоит из нескольких исполнительных ме-
ханизмов, обеспечивающих технологический процесс сверления отверстий в
призматических деталях.
45
Рисунок 42 - Принципиально-структурная схема автоматического устройства
для сверления отверстий в призматической детали:
1 - транспортер с собачками с гидроприводом для подачи деталей на рабо-
чую позицию,
2 - механизм фиксации (базирования) детали на рабочей позиции с пнев-
моприводом,
3 - механизм зажима детали на рабочей позиции с гидроприводом,
4 - механизм осевой подачи сверла с гидроприводом,
5 - механизм вращения сверла (шпиндель пинольного типа) с электродви-
гателем и клиноременной передачей,
6 - механизм подвода датчика контроля состояния сверла с пневмоприводом
Для контроля состояния исполнительных механизмов они оснащены необ-
ходимыми датчиками.
46
XI, Х2 - датчики начального и конечного положения штанги транспортера
с собачками (1),
ХЗ, Х4 - датчики начального и конечного положения механизма фиксации (2),
Х5 - датчик срабатывания механизма зажима (3) детали на рабочей позиции,
Х6 - датчик начального положения механизма подачи сверла (4),
Х7 - датчик положения механизма подачи сверла (4) для перехода уско-
пяпплй nnnauu па паКлих/хл
VI XX X VZXX XXk/^VA XXX XXV4 X J
X8 - датчик конечного положения механизма подачи сверла (4), конец ра-
бочей подачи,
Х9, ХЮ - датчики начального и конечного положения механизма подвода
специального датчика для контроля состояния сверла.
Кроме того, используются дополнительные датчики:
XI1 - специальный датчик состояния сверла (поломка),
Х12 - датчик вращения шпинделя (5),
Х13 - датчик наличия деталей в магазине.
Дптлмйт пл(хлтлрт рпрпх/мхпшкл лйпййлм fnur 47Д LTq мйгййппй паптшгй пкппгл
A X.WXXZ4VXVXX V* WZ X WV Л. XXZXX-^XXXVX W^ZVA-^XZXVX Y£-/XX^« л. Л-—Г 4VXVXX V*%SXXXXVX wvp'V
типа заготовки подаются на рабочую позицию при помощи транспортера с собач-
ками (1), осуществляя поступательное перемещение. На рабочей позиции заготов-
ка базируется призматическим фиксатором (2) и зажимается механизмом (3) с
прихватом и кондукторной втулкой для направления сверла. Сверло вращается в
шпинделе пинольного типа от электродвигателя (5) и подается гидроприводом 4 в
осевом направлении с определенной подачей. После сверления механизмы воз-
вращаются в исходное положение. Для контроля состояния сверла применяется
механизм (6) со специальным датчиком, подводимым к сверлу перед обработкой.
Этап 2: Описание цикла работы
Еще одним необходимым исходным материалом является цикл работы
устройства, рассмотрение которого производится, начиная с исходного поло-
жения автоматического устройства.
Исходное положение:
1 - отведен, 2 - отведен, 3 - разжат, 4 - крайнее верхнее положение,
5 - постоянно вращается, 6 - отведен.
Механизм 5 в процессе работы автомата вращается без остановки, так как
производить его отключение в каждом цикле не целесообразно. Поэтому в цик-
ле работы автомата данный механизм не учитывается.
Описание цикла:
Шаг Действия
1 1 - подача деталей, 6 - подвод датчика
2 2 - фиксация, 6 - отвод
3 3 - зажим
4 4 - ускоренный подвод, 2 - отвод, 1 - отвод
5 4 - рабочая подача
6 4 - отвод
7 3 - разжим
47
В описании цикла действия механизмов, при возможности одновременного
их выполнения, записываются в одном шаге. При этом необходимо рассматри-
вать эту возможность (столкновения, несогласованность действий и т. д.). То
есть, если совместные действия могут привести к возникновению аварийной
ситуации, то их нужно размещать в разных шагах.
При описании сложных циклов с ветвлениями все они представляются в
ПЫГТА ATHPHLUirV ТЯ^ГШП
Этап 3: Определение входных и выходных сигналов
Первоначально на принципиально-структурной схеме производится обо-
значение сигналов от датчиков Xi (входных сигналов системы управления) и
команд на приводы исполнительных механизмов Zi (выходных сигналов систе-
мы управления). При этом количество сигналов на приводы должно соответ-
ствовать количеству действий, выполняемых приводом. Так, например, двухпо-
зиционный пневмопривод имеет две команды (Zis, ZiR), реверсивный электро-
привод - три (ZiS, ZiR, Zi° - вправо - влево - стоп) и т. д.
Сигналы системы управления сводятся в таблицы основных и вспомога-
тельных сигналов.
Основные сигналы системы управления
Выходные сигналы Zi Входные сигналы Xi
№ привода механизма Действие Обозн. сигнала Значение сигнала Обозн. сигнала
1 подача деталей Zis деталь подана х2
отвод ZiR трансп. в исх. полож. Х1
2 фиксация z2s дет. зафиксирована Х4
отвод г? R А2” фиксатор отведен х3
3 зажим z3s деталь зажата х5
разжим z3R деталь разжата неХ3
4 ускор. подвод Z4S* конец ускор. перемещ. Х7
рабоч. подача Z4S конец раб. подачи х8
отвод z4r патрон отведен Хб
6 подвод Z6S датчик подведен Хю
отвод Z6R датчик отведен Х9
В таблице в ОдНОЙ Стрике С вЫХОдНЫмИ СИгНаламИ Z1 указываются вход-
ные сигналы Xi, которые появляются при выполнении указанных действий.
Дополнительные сигналы системы управления
Значение сигнала Обозначение сигнала
вращение шпинделя Х12
наличие деталей в магазине Х13
сверло в норме XII
48
Сведение сигналов в таблицы необходимо для четкой привязки обозначе-
ний к их значению. В дальнейшем необходимо точно соблюдать это соответ-
ствие.
Этап 4: Построение графической схемы алгоритма (граф ситуаций)
Для наглядного представления алгоритма работы автоматического устрой-
ства используется графическая схема алгоритма (граф ситуаций). При этом
Граф отражает всё возможные ЦИКЛЫ устройства СО всеми вёТВЛёнИямИ.
Построение графической схемы осуществляется на основе описания цикла
работы устройства в следующей последовательности.
Первоначально изображаются вершины (команды) основного цикла. При
этом количество вершин соответствует количеству шагов в описании цикла.
Рядом с вершинами проставляются команды (Z), содержащиеся в строке описа-
ния цикла и таблице основных сигналов.
Затем вершины соединяются стрелками в направлении выполнения цикла.
Для автоматического устройства граф имеет замкнутый вид, то есть последняя
вершина соединяется с первой. Рядом со стрелками проставляются конъюнкции
сигналов от датчиков (X), которые свидетельствуют о выполнении предыдущих
команд (см. таблицу основных сигналов). Таким образом, реализуется принцип,
что каждый последующий шаг цикла работы устройства может начаться только
после выполнения предыдущего.
После выполнения предыдущих действий необходимо проверить, все ли
команды приводов использованы на графе, а затем проверить полноту исполь-
зования сигналов датчиков, то есть все ли сигналы, содержащиеся в таблицах,
отражены на графе.
Для рассматриваемого примера графическая схема алгоритма приведена
ниже. 22s Z6r
к
Рисунок 43 - Граф ситуаций автоматического устройства
Если цикл работы автоматического устройства содержит ветвления, то
после построения основного цикла производится отображение дополнительных
ветвей (порядок построения графа - см. описание цикла, п. 3.1 и рис. 34).
49
После построения графа ситуаций приступают к разработке системы
управления на базе ПЛК.
Этап 5: Выбор входных и выходных преобразователей
Для согласования сигналов от датчиков и управляющих сигналов на при-
воды исполнительных механизмов в системах управления применяются вход-
ные и выходные преобразователи в соответствии с выбранной управляющей
системой. Для управляющей системы на базе выбранной ПЛК необходимо со-
гласовать выходные сигналы от датчиков с входами (X) ПЛК, а сигналы на
приводы исполнительных механизмов с выходами (Y) ПЛК.
При использовании датчиков типа замыкающий (размыкающий) контакт
преобразователей не требуется, они напрямую коммутируют напряжение от ис-
точника питания к соответствующему входу (X) ПЛК. При использовании дру-
гих датчиков возможно применение дополнительных источников питания и
промежуточных реле (оптронов).
Для приводов исполнительных механизмов необходимы соответствующие
преобразователи.
На рисунках 44, 45 представлено несколько примеров схем преобразова-
телей сигналов Y от ПЛК на пневмогидравлические или электрические приво-
ды исполнительных механизмов Z. Из этих схем можно выбрать подходящий
преобразователь для определенного привода.
Пне6мо(гидро)цилиндр двухпозициожый
управляющие (силобые) сигналы на приВод
4-х линейный. 2-х позиционный
электромагнитный клапан с ВозВратной
пружиной, (4/2 распределитель)
гп АР
JW
Z*
Подбод давления
управляющие (Выходные) сигналы от ПЛК Y, Электромеханическое.реле
а)
ПнеВмо/гидро/цилиндр дВухпозиционный —
с регулированием скорости I—I
управляющие (силовые) сигналы на привод Z* "I Z,
3-х линейный, 2-х позиционный
электромагнитный клала/ с возвратной
пружиной. (3/2 распределитель)
Z?
4-х линейный 2-х позиционный
клопа! с 2-мя электромагнитами
(4/2 распределитель)
м
Злектромеханическое реле
Рисунок 44 - Примеры преобразования сигналов от ПЛК
к пневмо(гидро)приводам
50
На рисунке 44, а показана схема управления двухпозиционным пнев-
мо(гидро)приводом при помощи четырехлинейного двухпозиционного элек-
тромагнитного клапана с возвратной пружиной, который в отключенном состо-
янии соединяет линию подачи давления Р с правой полостью цилиндра на вход
ZiR, другая полость цилиндра (вход ZiS) при этом соединяется с атмосферой А
(слив). При этом поршень цилиндра поджат влево. При подаче сигнала Yl = 1
НЯ DVnmUQPTPa VnQTTQWQ Q РГП r^Qnrrr^TT^TTIJT^TTt
Л&Ъ» рлч/илч/ UXVXXV 1UVIV/1 Х1ГХ1 XUXUXXUXXU^ V* VI p'VAV'Xl.p'V'J.l.K.L X VJWllUlIl viuvxx I
перемещается направо, обеспечивая подключение линии давления к входу ци-
линдра Zis, а вход ZiR соединяется с атмосферой. При этом поршень цилиндра
перемещается вправо. При отключении сигнала Y1 = 0 на реле электромагнит
клапана отключается, и его распределительный элемент под действием пружи-
ны возвращается в левое исходное положение, при этом поршень цилиндра пе-
реместится влево.
На рисунке 44, б показана схема управления гидроцилиндром с двумя ско-
ростями перемещения. Изменение скорости движения цилиндра осуществляет-
ся дросселированием подводящего канала. Для управления используются два
электромагнитных клапана. Для выбора линии подвода Zis или ZiS1 (соответ-
ственно с дросселем или без него) использован трехлинейный двухпозицион-
ный клапан с возвратной пружиной, а для изменения положения поршня ци-
линдра использован четырехлинейный двухпозиционный клапан с двумя элек-
тромагнитами. При включении Y3 = 1 и отключенных Y1 = О, Y2 = 0 линия
давления Р клапана соединяется с входом цилиндра ZiR, а вход Zis соединен с
атмосферой, при этом поршень цилиндра переместится влево. При включении
Y2 = 1 и отключенных Y1 = О, Y3 = О поршень цилиндра будет перемещаться
вправо быстро (без дросселирования, через Zisl). Если при этом включить Yl = 1,
лнхч ггахла» хаттгаггтга nnnr? глпгл гт г^ппгтпт» ппп
iv xxtptavxtiix,vniit м^д^х v nrxjnvrx vnvpwxorv, ian nan xxtptnjxrv’irxx vm njxaxxan n. дао-
ление будет подаваться в левую полость по линии Zis цилиндра через дроссель.
Для возврата цилиндра в исходное положение с высокой скоростью необходи-
мо обеспечить состояние Y3 = 1 и Y1 = О, Y2 = 0.
При выборе типа клапана с 2 электромагнитами необходимо учитывать,
что для изменения направления необходимо отключать противоположный маг-
нит и включать другой. Данный клапан можно включать отдельным импуль-
сом, не подавая постоянно управляющий сигнал. Рекомендуется для приводов с
длительным положением в том или ином состоянии, при этом после переклю-
чения клапана можно управляющий сигнал отключить. Если включение приво-
да в одно состояние носит кратковременный характер, то целесообразно ис-
пользовать схему на рисунке 44, а.
На рисунке 45 показаны схемы включения различных электродвигателей
от реле или пускателей. На рисунке 45, а показана схема включения односко-
ростного нереверсивного двигателя от электромагнитного реле с одним замы-
кающим контактом. При отключенном реле Y1 = 0 ток на двигатель не подает-
ся (ZiR). При включении реле Yl = 1 контакты реле замыкаются, обеспечивая
подачу тока ZiS на электродвигатель и его вращение.
51
Z/ - управляющие {силовые) сигналы на привод
.Электродвигатель нереверсивный 1 скоростной
Электромеханическое реле
Электродвигатель реберсибный 2 скоростной
м
Z,0
I
Y, Yi - управляющие /быходные! сигналы от ПЛК
Zi - управляющие 1силобые) сигналы на привод
Электромеханическое реле
к с переключающими контактами
'лектродбиготель реверсивный 1 скоростной
z;
Z/ - управляющие 1сиюбые) сигналы на придав
Электромеханическое реле
с замыкающими контактами
/включение)
Электромеханическое реле
с переклвчащими контактами
Yг Yt- управляющие /быходные) сигналы от ПЛК
Электромеханическое реле
с переключающими контактами
1напрабление)
/скорость)
z°
Электромеханическое реле
с замыкающими контактами
{включение)
Yt Yi - управляющие /выходные) сигналы от П/1К
Рисунок 45 - Схемы включения различных электродвигателей
На рисунке 45, б показана схема включения односкоростного реверсив-
ттгхг'гх г\пгаглнп»ллпттгг’п<га,пггг хч«т» TTni/v «лапа I I *лтг пгл пилгтаггггтг t^arra 1 — 1 гглплапплгт
пши jJitMpu4Dmaiслл ui дв)А pvjiv. при Dix.jixv'icnnri pvjiv i i — i иида^1ъл
ток на двигатель, если при этом реле Y2 = 0, то двигатель будет вращаться в
одном направлении, а если Y2 = 1, то в другом, так как реле Y2 обеспечивает
изменение полярности подключения двигателя.
На рисунке 45, в показана схема включения двухскоростного реверсив-
ного двигателя. В данной схеме применены три реле. Реле Y1 с замыкающи-
ми контактами обеспечивает включение, подачу тока на двигатель. Реле Y3 с
двумя переключающими контактами обеспечивает подключение к линии пи-
тания двигателя двух величин напряжения для обеспечения двух различных
скоростей вращения. Реле Y2 с двумя парами переключающих контактов
обеспечивает реверс двигателя.
Итак, для рассматриваемого примера произведем выбор преобразовате-
лей (рис. 46) для управления приводами исполнительных механизмов авто-
матического устройства (рис. 42). При этом вводим обозначения сигналов на
приводы (Zi) и от IIJIK(Yi). Необходимо заметить, что номера выходов ПЛК
(Yi) обозначаются в восьмеричной системе.
52
1-Механизм транспортера с садочками 2-Механизм фиксации
3-Механизм зажима детали
Y11
Рисунок 46 - Схемы преобразователей для управления приводами
исполнительных механизмов автоматического устройства
Для управления гидроприводом механизма транспортера с собачками (1)
можно применить четырехлинейный двухпозиционный клапан с двумя элек-
тромагнитами, который при подаче сигнала Y1 = 1 от ПЛК на реле будет обес-
гтатгтгппппг гтлпптпг nrnnrrarrrr tt г» 7 гга'лакатгтагта «гтпглгтгг
испиваю нидап) давления о Jinniirv n iivpvMvm.vnnv mianin ipanvuvpivpa
вправо, подавая деталь на рабочую позицию. При отключении сигнала Y1 = О
клапан останется в том же положении. При подаче сигнала Y2 = 1 клапан пере-
ключится, и давление будет поступать в линию ZiR, возвращая привод в исход-
ное положение.
Для механизма фиксации деталей (2) с гидроприводом можно использо-
вать устройства и схему в соответствии с рисунком 44, а. При этом работа фик-
сатора будет обеспечиваться подачей давления от четырехлинейного двухпози-
ционного электромагнитного клапана с одним электромагнитом и возвратной
пружиной. Электромагнит клапана будет включаться от реле, сигналом
Y3 = 1 от ПЛК, обеспечивая подачу давления в линию Z2S и подвод фиксатора.
Отвод фиксатора будет осуществляться при отключении сигнала Y3 = 0 от ПЛК
и возврате клапана в исходное положение от действия пружины, обеспечивая
подачу давления в линию ZiR. В данном случае применение клапана с возврат-
ной пружиной целесообразно, так как время действия фиксатора небольшое, и
при этом будет более простая схема управления.
Для механизма зажима детали на рабочей позиции (3) целесообразно вы-
брать четырехлинейный двухпозиционный клапан с двумя электромагнитами,
так как время пребывания привода в каждом положении значительное.
53
Для управления механизмом подачи сверла (4) применима схема, пред-
ставленная на рисунке 44, б с двумя клапанами: четырехлинейным двухпозици-
онным с двумя электромагнитами для изменения направления движения гидро-
привода (подача и отвод), и трехлинейным двухпозиционным с одним электро-
магнитом и возвратной пружиной для изменения скорости движения гидропри-
вода (ускоренный подвод и рабочая подача).
Una vrrnt>ппрппа мауэпшилм паполп!> ттятиипгя рпртлапиа рпаппя А иргтагп..
зована схема с четырехлинейным двухпозиционным клапаном с одним элек-
тромагнитом и возвратной пружиной в соответствии с рисунком 44, а.
Схемы преобразователей для приводов всех исполнительных механизмов
разрабатываемого автоматического устройства показаны на рисунке 46. Схемы
механизмов изображаются в соответствии с исходной принципиально-
структурной схемой (рис. 42).
После выбора преобразователей и назначения сигналов сводим их в табли-
цу сигналов «привод - ПЛК».
Таблица сигналов «привод - ПЛК»
Выходные сигналы
№ привода Действие Обозначение сигнала Z, (на приводы) Обозначение и значение сигнала Y (выход ПЛК)
1 подача деталей Z1S Yl = 1, Y2 = 0
отвод Z1R Y2= 1, Yl =0
2 фиксация z2s Y3 = 1
отвод Z2r Y3 = 0
3 зажим z3s Y4= 1, Y5 = 0
разжим z3R Y5= 1, Y4 = 0
4 ускор. подвод Z4S1 Y6= 1, Y10 = 0, Y7 = 0
рабоч. подача Z4S Y6= 1, Y10 = 1, Y7 = 0
отвод z4r Y7= 1, Y10 = 0, Y6 = 0
6 подвод Z6S Yll = 1
отвод Z6R Yll =0
54
Далее производим согласование и привязку выходов отдельных датчиков
(Xi) к входам ПЛК (X). Номера входов ПЛК обозначаются в восьмеричной си-
стеме. Данные сводим в таблицу. _______________
Датчик Входной сигнал ПЛК
XI XI
Х2 Х2
ХЗ ХЗ
Х4 Х4
Х5 Х5
Х6 Х6
Х7 Х7
Х8 ХЮ
Х9 хи
ХЮ Х12
XII Х13
Х12 Х14
Х13 Х15
Затем при необходимости составляется таблица внутренних сигналов для
устройств, реализуемых программным путем в ПЛК: счетчики, таймеры, вы-
числители, шаговые реле.
Этап 6: Разработка алгоритма работы автомата
Первоначально определяется состояние входов и выходов, соответствую-
щее начальному положению.
№ при- вода Состояние механизма Состояние выходов Y Состояние входов X
1 отведен У2 = 1, Y1 =0 XI
2 отведен УЗ = 0 ХЗ
3 разжат Y5 = 1, Y4 = 0 неХ5
Л -г г\пр папотт UlDV^Vn Y7= 1, У10 = 0, У6 = 0 VA
6 отведен Y11 =0 ХИ
Затем составляется описание алгоритма работы автомата. Описание со-
ставляется в виде таблицы, используя граф ситуаций и принятые входные,
внутренние и выходные сигналы и их обозначения.
После разработки схемы системы управления производится выбор типов и
моделей элементов схемы (ПЛК, датчиков, клапанов, реле, пускателей, блоков
питания и т. д.) по справочной литературе или документации современных
производителей.
55
Таблица алгоритма работы автомата
Шаг № Шаговое реле Механизм, действие Выходные сигналы ПЛК Условие перехода, входы ПЛК № след, шага
1 S1 1 - подача, 6 - подвод Y1 = 1, У2 = 0 УП = 1 Х2 х Х12 хХ13 2
2 S2 2 - фиксация 6 - отвод У3 = 1 УП = 0 Х4 х XII 3
3 S3 3 -зажим У4=1,У5 = 0 Х5 х Х14 4
4 S4 4 - ускор. подвод 2 - отвод 1 - отвод У6= 1, У10 = 0, Y7 = 0 УЗ = 0 У2= 1, Y1 =0 ХЗ хХ7 5
С QQ 4 - рабочая подача Y6 = 1, У10= 1, У7 = 0 V-1 А A1U 6
6 S6 4 - отвод У7= 1, У10 = 0, У6 = 0 Х6 7
7 S7 3 - разжим У5= 1, У4 = 0 неХ5 х Х15 х XI 1
Этап 7: Программирование цикла на ПЛК
После составления таблицы алгоритма и определения сигналов произво-
дится программирование цикла работы автоматического устройства на ПЛК.
Программирование осуществляется на основе таблицы алгоритма с ис-
пользованием специальных программ для определенных ПЛК (для PLC DVP -
60ES программа WPLSoft).
При разработке программы необходимо соблюдать следующие рекомендации:
- первоначально необходимо произвести инициализацию (начальную
установку параметров), при этом, как правило, используется инициализирую-
щее реле Ml002, которое формирует один импульс только при пуске програм-
мы (при последующих сканах программы реле остается отключенным). При
этом, как правило, производится обнуление используемых счетчиков, шаговых
реле, присвоение начальных значений переменным, установка в начальное по-
ложение приводов или их отключение и т. д.‘
- производится переход к первому шагу программы. Для перехода к пер-
вому шагу программы после инициализации можно применить внутреннее реле
(маркер);
- далее с использованием шаговых реле реализуются отдельные шаги
цикла, при этом в каждом шаге производится следующее. Включение - отклю-
чение соответствующих механизмов (по циклу), внутренних реле, счетчиков,
таймеров и т. д., и организация логической схемы перехода к следующему шагу
(шагам), (по методике составления комбинационных схем). При этом переход
может осуществляться либо последовательно, либо альтернативно (селективно)
56
к различным шагам в зависимости от выполнения того или иного условия пере-
хода, либо параллельно (одновременно). При этом сведение (сборка) селектив-
ных шагов (ветвей) осуществляется по условию ИЛИ, а параллельных - по
условию И.
Примеры реализации отдельных ветвлений представлены на рисунке 47;
Селективное ветвление (по условию ИЛИ)
Параллельное ветвление (по условию И)
Параллельная сборка
Рисунок 47 - Организация отдельных ветвлений программы управления
- в конце шагового процесса (в последнем шаге) необходимо использо-
вать инструкцию возврата (RET). И в заключении вставить инструкцию END,
которая в конце каждого скана программы обеспечивает передачу полученных
состояний выходных сигналов Y на соответствующие механизмы и устройства.
В циклических программах при возврате к первому шагу необходимо произво-
дить установку начальных значений параметров, своевременную очистку счет-
чиков, переменных и пр.
Программа для реализации заданного алгоритма работы автомата пред-
ставлена на рисунке 48.
57
A
у
► шаг 2
► шаг 3
А
> шаг 4
7
к шаг 5
к шаг 7
Рисунок 48 - Программа управления автоматом для сверления отверстий
в призматических деталях
58
инициализация
шаг 1
шаг 6
Описание отдельных блоков программы
Инициализация. В этом блоке с помощью инициализирующего реле
Ml002 первоначально производится групповое отключение (ZRST) всех вы-
ходов (Y1-Y11), соединенных с реле управления клапанами, пускателями
приводов исполнительных механизмов. Затем включаются (SET) необходи-
мые Y, обеспечивающие исходное положение приводов (Y2, Y5, Y7 = 1). Да-
чиков и т. д. Для ожидания момента срабатывания датчиков при установке
всех исполнительных механизмов в исходное положение и перехода к пер-
вому шагу включается внутреннее реле (маркер) М2. После срабатывания
всех датчиков (XI, ХЗ, неХ5, Х6, ХИ) происходит переход к 1 шагу (вклю-
чается шаговое реле S1) и отключение внутреннего реле М2. Реле М2 позво-
ляет обеспечить опрос датчиков после отключения реле Ml002 (после ини-
циализации) и отключение проверки условия при последующих сканах про-
граммы.
Шаг 1: в нем включается транспортер (1) для подачи детали и подводится
датчик инструмента (6) (Y2 = 0, Yl = 1, Yl 1 = 1). При срабатывании датчиков
(входы Х2, Х12, Х13), при выполнении указанных команд происходит переход
к следующему 2 шагу (включается шаговое реле S2).
Шаг 2: в нем включается механизм фиксации детали (2) и отводится дат-
чик инструмента (6) (Y3 = 1, Y11 = 0). При срабатывании датчиков (входы Х4,
XII) при выполнении указанных команд происходит переход к следующему 3
шагу (включается шаговое реле S3).
Шаг 3: в нем включается механизм зажима детали (3) (Y5 = 0, Y4 = 1). При
срабатывании датчика зажима детали (вход Х5) и датчика вращения шпинделя
/гъчгхчтг 1 Л \ rr»4/\¥iAV/\ тт»»пг> rra»Aav/\n гл л Л гилп/ /пглптлттлаппАлг тлп/чп/ча »ла
(вдид YYlTy ЫрМПЪЛМДУИ Л. VJ1CПЛЦБМ) Т LLiai у ^DIKJlXV'iaC 1VM Uiai UDUt pc-
ле S4).
Шаг 4:_в нем включается привод подачи сверла (4) на ускоренной подаче
(Y6 = 1, Y10 = 0, Y7 = 0), отводится механизм фиксатора 2 (Y3 = 0) и отводится
транспортер 1 (Y2 = 1, Y1 = 0). При срабатывании датчиков (входы
ХЗ х Х7) при выполнении указанных команд происходит переход к следующе-
му 5 шагу (включается шаговое реле S5).
Шаг 5: в нем включается привод подачи сверла 4 на рабочей подаче (Y6 = 1,
Y10 = 1, Y7 = 0). При срабатывании датчика (вход ХЮ) при достижении конца
рабочего хода сверла происходит переход к следующему 6 шагу (включается ша-
говое реле S6).
Шаг 6: В этом шаге привод подачи сверла 4 отводится в исходное положе-
ние. При этом устанавливаются Y6 = 0, Y10 = 0, Y7 = 1. При срабатывании дат-
чика Х6 при достижении конца рабочего хода сверла происходит переход к
следующему 7 шагу (включается шаговое реле S7).
Шаг 7: В этом шаге производится разжим детали и возврат к первому шагу
для повторения цикла. При этом устанавливаются Y5 = 1, Y4 = 0, и при сраба-
тывании датчика зажима (сигнал неХ5), а также датчиков наличия деталей в
магазине и исходного положения транспортера (входы Х15, XI) производится
переход к шагу 1.
59
Далее цикл повторяется.
Таким образом, предлагаемая методика позволяет разработать систему
управления автоматическим устройством на базе программируемого логиче-
ского контроллера (ПЛК) и подготовить управляющую программу управления
циклом его работы. В данном примере рассмотрена разработка системы управ-
ления на базе ПЛК DELTA. Другие модели ПЛК имеют свои особенности про-
ГГ№Х4\4ТЛПППЯШГГГа UA Г'ЫГ'Т'РХДЧ х/гтяппригига АГТ-1АТГа -lUtirTA.
Л p^tXlVXXViXAp^KZXZX^XXXXZX^ XXkZ 4VXV X Ъ/^ХХХКЪХ XXVXX VllVIVinUl J XX^ZUXZZX WXXXXZX W1UV1VZ1 MXXltUXkZ
гичной.
Контрольные вопросы к главе 3
1. Постулаты, соотношения, законы алгебры логики.
2. Логические функции, таблицы состояний.
3. Однотактные (комбинационные) и многотактные (последовательные)
схемы.
4. Графические схемы алгоритмов, виды порядок построения.
5. Последовательность разработки однотактных (комбинационных) схем.
6. Программируемые логические контроллеры (ПЛК), функции, работа.
7. Порядок программирования ПЛК.
8. Порядок разработки многотактных (последовательных) систем управле-
ния с использованием ПЛК.
60
Глава 4. УПРАВЛЕНИЕ НЕПРЕРЫВНЫМИ (АНАЛОГОВЫМИ)
ОБЪЕКТАМИ, ПРОЦЕССАМИ
4.1. Назначение и принципы работы систем автоматического
регулирования (САР)
RnntTnUUPTnn TPVПП ППГПиАГЧГТЛУ ППЛИАГГАП ТПРП171ЛТ П АГУ/ГГЫП Л-
вания технологических параметров (температура, давление, влажность, пере-
мещение, скорость, и пр.). Для автоматизации данных процессов создаются
различные системы автоматического регулирования (САР) [6]. Регулирование -
это одна из задач управления. По сути САР входят в состав системы автомати-
ческого управления (САУ) для обеспечения перевода объекта в заданное си-
стемой состояние и поддержание его значения на этом уровне с определенной
точностью. Таким образом, регулирование - это процесс обеспечения заданного
значения выходного параметра объекта. Процессы регулирования относятся к
непрерывным.
Большинство САР работают по принципу формирования управляющего
сигнала по величине отклонения от заданного значения. Схема САР приведена
на рисунке 49.
Рисунок 49 - Обобщенная схема САР
В процессе работы САУ в определенный момент времени в соответствии с
законом управления (технологией) формируется требуемая величина Уз выход-
ного параметра У объекта (ОР). Уз подается на элемент сравнения (ЭС), на ко-
торый при помощи обратной связи (ОС) также подается текущая величина У от
ОР. На выходе элемента сравнения формируется сигнал е = Уз - У, который яв-
ляется входным в регулятор (Р). Регулятор формирует управляющий сигнал X
как функцию от величины е (X = f(e)) в соответствии с законом, положенным в
его основу. Закон регулирования должен обеспечить необходимую динамику и
точность выходного параметра ОР. В зависимости от этого регуляторы бывают
различного типа, что будет рассмотрено ниже. Сигнал X от регулятора посту-
пает на объект, вызывая изменения его состояния в направлении приближения
к заданному значению Уз. Таким образом, чем больше отклонение е = Уз - У,
тем большее управляющее воздействие X формируется на ОР, приводя к
уменьшению е. САР такого типа называются стабилизирующими.
61
Автоматическое регулирование впервые применено Дж. Уаттом для регу-
лирования скорости движения паровых машин. Рассмотрим работу регулятора
на примере регулятора давления (рис. 50).
Регулятор давления применяется для регулирования и стабилизации дав-
ления газа рк на установленном значении при переменных значениях давления
рО на его входе и расходе Qr на выходе.
ТТпгл птгх/тлтптш nqnnpuua пытяиыа пО ия nvnnp пАгх/патппя 'пгшлпгэа rrnxz.
жина, действуя через жесткий центр мембраны, открывает клапан. При подаче
давления рО на вход регулятора происходит заполнение камеры через открытый
клапан и возрастание давления рк. Поступающее давление, воздействуя на
мембрану, создает усилие давления Рд = рк * s (где s - эффективная площадь
мембраны), противодействующее усилию задающей пружины Fnp, и, когда эти
усилия начнут выравниваться, будет происходить закрывание клапана, умень-
шение поступления газа в камеру и прекращение роста давления рк на опреде-
ленном заданном значении. Величина этого давления будет зависеть от усилия
задающей пружины. Таким образом, для изменения заданного значения давле-
ния рк необходимо изменить величину усилия задающей пружины путем ее
поджатия.
мембрана
(Уз) ^(е=Уз-У)
Fnp
клапан
(Р)
Рисунок 50 - Схема регулятора давления и его эквивалентная схема
В процессе работы возможны следующие возмущающие воздействия на
систему. Во-первых, может измениться расход газа Qr, отбираемого из камеры.
При этом произойдет падение давления рк в ней, что приведет к снижению уси-
лия давления Рд, перемещению мембраны и открыванию клапана. Давление в
камере рк будет восстанавливаться до момента выравнивания усилий Рд и Fnp и
стабилизации его значения на заданной величине. Вторым возмущающим воз-
действием является изменение давления рО, поступающего на вход регулятора.
62
Как можно заметить, оно не будет влиять на величину давления в камере рк при
условии, что его значение будет больше (рО > рк). Таким образом, не зависимо
от расхода газа Qr на выходе камеры и изменении давления рО на входе регуля-
тора, давление рк будет поддерживаться на заданном значении.
Сопоставим элементы регулятора с элементами обобщенной схемы
(рис. 49, 50). Можно заметить следующее:
_ппакаит rnqnupuua ua пчрълр птл о пАГ\;патлпА T-Га uaa л лпилй
-SJX V*JVXV*XX X Ч/рЛЪХХЛХХ V*XXXXZX ХХЪХ V*ZV4/-LVXV'_xvx v*rvxwp^xxxxxx хл рлч/х «у JX/X X wpjv. 1XU 1XVV 4/ Vji^XIVIX
стороны в качестве уставки (Уз) подается усилие пружины Fnp, а с другой сторо-
ны формируется усилие Ед от давления рк в камере (У). Выходной величиной
этого элемента (е = Уз - У) является перемещение мембраны А = (Fnp - Ед)/с, (где
с - жесткость задающей пружины) и соответственно перемещение клапана;
- регулятор на схеме - это клапан регулятора, входной величиной е кото-
рого является перемещение Д, а выходной X - его проходное сечение (площадь
истечения), которое обеспечивает определенный расход газа, поступающего в
камеру;
- объект регулирования - это камера, а выходным сигналом ее является
давление рк.
Таким образом, сопоставление элементов обобщенной схемы и реальных
элементов позволяет использовать теорию автоматического регулирования для
расчета при проектировании конструкции регулятора.
Среди основных требований к САР выделяют следующие:
- устойчивость системы,
- максимальная точность регулирования,
- минимальное время переходных процессов.
Понятие устойчивости связано со способностью системы возвращаться в
установленное значение регулируемой величины после введения (снятия) воз-
мущающего или управляющего воздействия. Для обеспечения работоспособно-
сти САР в самом начале ее проектирования необходимо решить задачу обеспе-
чения ее устойчивости в рабочем диапазоне управляющих и возмущающих
воздействий.
Точность характеризуется минимальным отклонением регулируемой ве-
личины от заданного значения при установившихся режимах работы.
Минимальное время переходного процесса определяется динамическими
свойствами системы и характеризуется ее способностью за минимальное время
rrawav хч ттт«пг>г т/* г»г»лттагтгггл лаги га* *лгг па пгтгтттгттг т
цсрслидтс п. задаппим) зпачспши pvi осличипш.
4.2. Динамика САР, законы регулирования
САР по сути является динамической системой, а ее работоспособность
оценивается динамическими характеристиками. В процессе работы любая си-
стема испытывает внешние возмущающие W и управляющие X воздействия,
которые определяют выходные значения У объекта регулирования (см. п. 2.1,
рис. 7).
63
Рассмотрим динамические характеристики при различных типах воздей-
ствий (рис. 51).
Переходный процесс при возмущающем
воздействии
Переходный процесс при управляющем
воздействии
Рисунок 51 - Динамические характеристики САР при возмущающем и
управляющем воздействии
Возмущающее воздействие W на объект, как правило, носит случайный
характер и формируется со стороны среды, в которой работает объект. При
этом система выходит из равновесного заданного состояния, но через опреде-
ленное время возвращается в установленное значение.
При определенных условиях возможна потеря устойчивости (пунктирная
линия), в этом случае система потеряет работоспособность, возможно ее раз-
рушение.
Управляющее воздействие X формируется со стороны системы управления
тг тт*чттхч ГТТГЛП ТЛ ГГЛ nr пг»лг>л лллппл/т»»гггт ЛГЛТПЛ ГГЛ ЛГ» ТТ
и цриоидт n. njxvivnvnrxrv оыдидтли vw хил пил ни х. п. хх^р^лидпиму
процессу. Переходный процесс, характеризующий динамику системы, пред-
ставляет собой график изменения выходного сигнала У во времени при пере-
ходных (неустановившихся) режимах работы под воздействием стандартного
входного сигнала (как правило, единичного ступенчатого). При переходном
процессе также возможна потеря устойчивости (пунктирная линия).
Параметрами, характеризующими динамические свойства, являются
(см. п. 2.1):
- постоянная времени (характеризует инерционность системы) - т,
- запаздывание реакции системы - тз,
- перерегулирование (характеризует устойчивость системы) - Уп,
- время регулирования - tp.
Важнейшими вопросами при анализе динамики систем являются устойчи-
вость и качество переходного процесса.
Для обеспечения определенного требуемого значения У состояния объекта
применяются САР. Наибольшее распространение получили замкнутые САР. В
этом случае САР представляет собой динамическую систему, стремящуюся со-
хранить в допустимых пределах отклонение между требуемым Уз и действи-
тельным значением У регулируемой величины при помощи их сравнения с ис-
64
пользованием обратной связи. Для этого САР оснащается регулятором, кото-
рый должен решать задачи обеспечения устойчивости, и точности регулирова-
ния за минимальное время.
При решении этих задач важным моментом является выбор стратегии (зако-
на) регулирования. Регулирование производится по следующим основным зако-
нам: пропорциональному (П -), интегральному (И -), пропорционально инте-
ГГПЛ _____________А гтлплптгали!1пшл-иптАт!>п1.ил.пт1гЬЛ1РПАПтгм!>п1.или\/ 6ГТ1ЛТТ _А
Л Ч/** ЧЛрли,Х1 Ч/А&ъилхди\J XU1 1 VI yUJIJJlIV \_ * * * * / \
которые реализуются при помощи соответствующих регуляторов. При создании
этих регуляторов применяют типовые звенья, реализующие определенный закон.
Пропорциональный закон (П -) реализуется при помощи пропорциональ-
ного звена, которое обеспечивает пропорциональное преобразование (усиле-
ние) входного сигнала (рис. 52).
Хп “
Хп=Кпхе
Хп - выходная величина пропорционального регулятора
Кп - коэффициент пропорционального звена
t е =Уз-У - входная величина регулятора, (отклонение
выходной величины У объекта от заданной Уз)
Рисунок 52 - Пропорциональный (П -) закон регулирования
Пропорциональный закон обеспечивает основной процесс регулирования
TTZ4 ТТТЖТГГТЧ У» VYA1I ^Z4 ГГТ пга /\ППГ|«ГГ/\ГГаГГГГа nYTV/\nT»/\Yl' паггтггтпг»» т
nv принцип}, чем wjidjjjv uiAJiuntnnt оылидпии ослипипш j Vi зодаппиш дПа-
чения Уз, тем большее воздействие оказывается на объект, и наоборот.
Интегральный закон (И -) реализуется при помощи интегрального звена,
которое производит интегрирование (суммирование) входной величины е по
времени (рис. 53).
Хи=Ких1еск
Хи - выходная величина интегрального регулятора
Jedt - интеграл (сумма) входной величины е по
времени
Рисунок 53 - Интегральный (И -) закон регулирования
Интегральный закон производит накопление ошибки регулирования е и
формирование сигнала управления в соответствии с суммарной величиной. То
есть даже при малой величине ошибки е с течением времени величина интегра-
65
ла достигнет существенной величины для воздействия на объект. Интегральные
звенья обеспечивают точность регулирования.
Дифференциальный закон (D -) реализуется при помощи дифференциаль-
ного звена, которое преобразует скорость изменения входной величины е регу-
лятора (рис. 54).
Хд=Кдхс1е/ск
Хд - выходная величина дифференциального регулятора
Кд - коэффициент интегрального звена
de/dt - скорость изменения е
Рисунок 54 - Дифференциальный (D -) закон регулирования
Дифференциальный закон обеспечивает реакцию системы на скорость из-
менения ошибки е во времени и придает динамические свойства процессу регу-
лирования.
Кроме того, для защиты САР от случайных кратковременных внешних
воздействий применяются различные фильтры, которые встраиваются в линии
обратной связи и реализуются при помощи звеньев 1-го или 2-го порядка. Рабо-
та фильтра представлена на рисунке 55. При кратковременном сигнале X (слу-
чайный импульс), поступившем на вход фильтра, сигнал Y на выходе не успеет
перейти в новое состояние вследствие инерционности звена, и его амплитуда
rranr тллт/лтг I Iч гтттллг<тг*чхчш « тгл гч*чл
ntDDivuivjn. хiyпл 1 прим па ipaipniKV nuivajanu njivitntnnt vninajia i na ddi-
ходе при длительном входном сигнале X. Линией 1 и 2 показаны выходные
сигналы фильтров реализованных, соответственно, на инерционном звене 1-го
или 2-го порядка. Как видно из графика, фильтр, реализованный на звене 2-го
порядка, является более эффективным, так как формирует при том же входном
импульсе выходной сигнал меньшей амплитуды.
Рисунок 55 - Работа фильтра с использованием инерционных звеньев
первого (1) или второго (2) порядка
На основе рассмотренных законов и соответствующих звеньев создаются
различные типы регуляторов, используемые в различных САР.
66
4.3. Регуляторы и системы автоматического регулирования
Для регулирования технологических параметров создаются различные си-
стемы автоматического регулирования, основной задачей которых является
поддержание параметра на выходе объекта на заданном значении. Схема САР
рассмотрена ранее (п. 4.1).
СДР ия лпилпа nq^nuuntTV типло плп/гтатлпло MAnnntQ\mnruv
различные типы звеньев. Наибольшее распространение в соответствии с ис-
пользуемыми законами и звеньями в составе САР получили следующие типы
регуляторов.
Пропорциональный - П-регулятор реализуется на основе пропорциональ-
ного звена и работает по закону: Хп = кп х е.
Интегральный - И-регулятор реализуется при помощи интегрального зве-
на и использует закон: Хи = Ки х J edt.
Для улучшения характеристик САР применяют комбинированные типы
регуляторов.
Пропорционально-интегральный - ПИ-регулятор реализуется при помощи
пропорционального и интегрального звенев, на которые одновременно посту-
пает входной сигнал е, а сигнал на выходе регулятора Хпи получается сумми-
рованием выходных сигналов пропорционального Хп и интегрального Хи зве-
ньев (рис. 56).
Рисунок 56 - Пропорционально-интегральный закон и
соответствующий ПИ-регулятор
Пропорционально-интегрально-дифференциальный - ПИД-регулятор
реализуется при помощи пропорционального, интегрального и дифференци-
ального звенев, на которые одновременно подается входной сигнал е, а вы-
ходной сигнал получается путем суммирования их выходных сигналов Хп,
Хи, Хд (рис. 57).
67
Хпид=Хп+Хи+Хд
Рисунок 57 - Пропорционально-интегрально-дифференциальный закон
и соответствующий ПИД-регулятор
Рассмотренные регуляторы имеют определенные преимущества и недо-
статки. П-регуляторы - просты по конструкции, но имеют статическую ошиб-
ку, ПИД-регуляторы обеспечивают относительно высокую точность и мини-
мальное время переходных процессов. Для сравнения рассмотрим переходные
процессы в САР при использовании различных типов регуляторов (рис. 58).
Рисунок 58 - Переходные процессы САР при использовании
различных типов регуляторов
ПИД-регулятор является наиболее эффективным, при правильном подборе
коэффициентов (Кп, Ки, Кд), обеспечивает минимальное время переходного
процесса и максимальную точность.
ПИ-регулятор также обладает достаточно хорошими характеристиками.
И-регулятор имеет сильное перерегулирование и колебательный характер
процесса.
П-регулятор имеет статическую ошибку.
Необходимо отметить, что рассмотренные законы управления разработаны
для аппаратной реализации регуляторов. В настоящее время в связи с развити-
ем микропроцессорной техники появилась возможность реализации регулято-
ров не только аппаратными средствами, но и программным способом. Исполь-
зование микропроцессоров позволяет создавать, кроме рассмотренных, новые
алгоритмы управления, позволяющие повысить точность регулирования и
обеспечить более высокие динамические характеристики объекта управления.
68
Программная реализация предусматривает формирование законов управ-
ления при помощи вычислительных процессов. Рассмотрим алгоритм реализа-
ции регулятора с использованием ПИД-закона, который лежит в основе работы
современных регулирующих контроллеров (рис. 59).
Рисунок 59 - Алгоритм реализации ПИД регулятора
Описание алгоритма
Первоначально производится назначение постоянных коэффициентов ре-
гулятора Кп, Ки, Кд. Затем от задающего устройства (программоносителя) вво-
дится величина требуемого значения выходного параметра объекта Уз в соот-
ветствии с законом управления. Далее от датчика обратной связи считывается
величина текущего значения выходного параметра У. Затем производятся вы-
числения ошибки е = Уз - У и отдельных составляющих Хп, Хи, Хд выходного
сигнала регулятора, суммирование которых позволяет получить управляющий
сигнал X, направляемый для воздействия на объект. Далее описанный цикл об-
работки и формирования сигналов управления повторяется через определенные
промежутки времени At.
Интегрирование и дифференцирование при этом осуществляется в ко-
нечных разностях: de = Ае = ei - е (i - 1), dt = At = ti -1 (i - 1), то есть вычисля-
ется величина разности между текущим ei и предыдущим е (i - 1) значением.
69
Преимущества программной реализации:
- более точное формирование управляющих воздействий,
- более гибкое управление (возможность в процессе работы изменять ко-
эффициенты Кп, Ки, Кд).
Требуемое качество переходного процесса обеспечивается за счет подбора
коэффициентов, которые позволяют усилить или ослабить влияние соответ-
Г*ТПХ71П¥¥¥АГЛ QDAHfl ПАГХ/ПаТПИЯ’
ч/х х/*у хч/хл-^ч/х ч/ ^хлч^хачх рл v*i ^у jxzx х члрлчж*
Кп - обеспечивает основной закон регулирования, влияет на динамику и
устойчивость.
Ки - обеспечивает точность регулирования, но может приводить к колеба-
ниям процесса.
Кд - обеспечивает динамическую реакцию на воздействия.
В настоящее время эти устройства реализованы в виде различных микро-
процессорных регуляторов (SIEMENS, OMRON, OWEN). Регуляторы массово
используются в автоматизации технологических процессов.
Контрольные вопросы к главе 4
1. Назначение, схемы, принцип действия систем автоматического регули-
рования (САР).
2. Динамика САР, переходные процессы.
3. Законы регулирования.
4. Виды регуляторов.
5. Алгоритм программной реализации ПИД-регулятора.
70
Глава 5. МИКРОПРОЦЕССОРНЫЕ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ
Определенные ранее основные задачи управления (прием и сбор информа-
ции, логическая и арифметическая обработка и преобразование, воздействие на
объект управления) могут быть решены при помощи микропроцессорных си-
стем управления (МПСУ) [7]. В настоящее время микропроцессоры (МП) для
иппяп пашпшу
j xx|zv*xzuxzxxvrxj-^xxzv
Ч/ХХЧ/ X 4/1VX
Ч/^ZX XXXXXV*
ГАПШЛиП
Dt-TnX/f'VQUA'Tf'a ГГППК4Г-Т1ТТ TTAUimPTLIA
ХЛХЛХХХ у 4/XVVM.VT X WZX XX|_rvrXVXXJXXXXJX4/XXXX W X V1V •
rYbOnAMAUULlA
x^vuuvnxvixxxuxv
МП, обладая высоким быстродействием, достаточно большим объемом памяти,
большими функциональными возможностями, низкой стоимостью, позволяют
применить их для решения множества задач управления для автоматизации
технологических процессов.
Разработка микропроцессорных систем автоматического управления тех-
нологическими процессами (МП САУ ТП) состоит из следующих основных
этапов:
1. Выработка базовой концепции (основной идеи). Определяется в целом
вид системы, в которой будет применен микропроцессор или контроллер.
2. Разработка алгоритма управления (концептуальный этап, ЧТО должна
делать система).
3. Проектирование (выбор) аппаратных средств (средства для решения за-
дачи управления, ЧЕМ).
4. Разработка функциональной блок-схемы и рабочей программы (КАК
осуществляется поставленная задача).
Представленный подход согласуется с системным при организации про-
ектно-конструкторских работ. При данном подходе вначале определяется, ЧТО
будет делать система и на каком уровне, затем выбираются возможные аппа-
♦апппггг та гтллппл nrrrrr тлатттаттгггт гталпплп паттттт tv ллттлтт »» лтлаттутлипа пгт ттгх
рашыс длл решения iiwiaDJicnntHA оаДа*1 п илиппахелопи рао-
рабатывается рабочая программа, которая представляет, КАК поставленные за-
дачи будут решаться выбранными аппаратными средствами.
5.1. Режимы использования микропроцессоров в АСУ ТП
Рассмотрим основные подходы к организации систем с применением мик-
ропроцессоров.
В зависимости от глубины участия микропроцессоров в решении задач
управления различают следующие режимы их применения:
1. Система сбора данных.
2. Советчик оператора.
3. Супервизорное управление.
4. Непосредственно цифровое управление.
Рассмотрим каждую систему в отдельности.
1. Система сбора данных, иначе Автоматизированная информационная
система (АИС) (рис. 60). Предназначается для сбора данных о технологиче-
ском процессе при различных воздействиях, их обработки и анализа. Это
простейшая йюпма использования микпоппопессопов. Пои этом обопулова-
X X X X X X • X • • • X J ’
71
ние для осуществления технологического процесса оснащается датчиками
технологических параметров, данные от которых через устройство ввода -
вывода передаются для обработки в микропроцессор. Обработанные данные
архивируются и представляются в виде графиков, таблиц и пр. на дисплее, и
при необходимости могут быть распечатаны.
Эти системы применяются в сложных технологических процессах при
ПЛРТЯТЛППП Dt-Tnnvnri РТАПАии НАЛППА ПАПАППЛРТП ОППСГНиа TAYimnnrilUAPb'UY ПЯ-
^vviuiv iiiv uuivvnvn V1V11VX1IX хх vvxxyv^vjxvxxxxvv х хх uuxxx/xxxxx/x x vzxxxvuxvx xx xvvxvxxzx xxv*
раметров на качество выпускаемого продукта, а также при большой вероят-
ности отклонения этих параметров от установленных значений и их взаимно-
го влияния. При этом технологический процесс, как правило, выполняется с
участием человека - оператора, который по поступающей от датчиков ин-
формации производит управление в соответствии с заданным процессом.
Кроме того, данные, поступающие от датчиков, записываются и могут быть
использованы специалистами для контроля хода технологического процесса
во времени. Поступающие данные могут быть использованы для анализа и
определения оптимальных технологических параметров, влияние их на каче-
ство, алгоритмы управления, набор статистических данных и пр.
Рисунок 60 - Организация автоматизированной информационной системы
Данная форма применяется на начальном этапе автоматизации сложных
технологических процессов.
2. Советчик оператора. Процессор работает в разомкнутом режиме, т. е.
ПО заложенной математической модели вычисляются необходимые управля-
ющие воздействия, которые в виде инструкций, графиков отображаются на
дисплее и отрабатываются оператором, который устанавливает требуемые
значения технологических параметров при помощи регуляторов или органов
управления.
72
Рисунок 61 - Организация управления в режиме советчик оператора
Этот режим применяется при автоматизации сложных технологических
процессов, когда возможны непредвиденные отклонения от установленного хо-
да технологического процесса или при определенных условиях требуется при-
нятие нештатного решения. Данные о ходе технологического процесса также
могут быть использованы специалистами для последующего анализа и оптими-
зации процесса.
3. Супервизорное управление. В этом случае процессор работает в замкну-
том режиме, то есть в зависимости от состояния техпроцесса формируются
управляющие воздействия, направляемые на регуляторы и исполнительные ме-
ханизмы. Оператор выполняет функции наблюдения с возможностью вмеша-
тельства в процесс управления при возникновении нештатных ситуаций.
Рисунок 62 - Организация супервизорного режима управления
Применяется при автоматизации отлаженных детерминированных техно-
логических процессов.
73
4. Непосредственно цифровое управление. Этот режим является совершен-
ствованием и развитием предыдущего. В этом случае все возможные аппарат-
ные средства заменяются программными. Например, регуляторы реализуются
программным путем, т. е. рассчитывается не уставка, а реальные воздействия
на систему.
Э Hnrauu'ianua uuvnnnnnnannnnuLiv ouptou иппзв тоииа
VZfJl ншимцил VV|/11U1A VII W Ж J %/ЖЖ*Ж»
Микропроцессорные системы управления в настоящее время находят все
большее применение для автоматизации технологических процессов. Это обес-
печивается снижением стоимости и увеличением функциональных возможно-
стей микропроцессоров (быстродействие, объем памяти).
Рисунок 63 - Организация микропроцессорной системы управления
При организации системы управления на базе микропроцессора, в соответ-
ствии с рисунком 63, необходимо оснащение ее следующими элементами:
1 - датчики или другие устройства, представляющие информацию о состо-
янии управляемого технологического процесса (объекта управления),
2 - входные преобразователи, устройства сопряжения для согласования
сигналов от датчиков к микропроцессору,
3 - микропроцессор для обработки сигналов от датчиков и выработки
управляющих сигналов,
4 - выходные преобразователи для преобразования управляющих воздей-
ствий,
5 - приводы исполнительных механизмов (источник энергии),
6 - исполнительные механизмы для непосредственного воздействия на
объект управления.
После выбора структуры системы управления и ее элементов необходимо
рассмотреть виды сигналов, проходящих по ее отдельным цепям (аналоговые,
дискретные, цифровые). Так как большинство технологических параметров
представляются в виде аналоговых сигналов, одним из обязательных условий
при использовании микропроцессоров является преобразование аналоговых
сигналов в цифровые и обратно.
74
При преобразовании первоначально аналоговые сигналы преобразуются в
дискретные, а затем их уровень представляется в цифровом виде. Для преобра-
зования аналоговых сигналов в дискретные используют два метода.
квантование сигнала по уровню квантование сигнала по времени
а)
Рисунок 64 - Методы преобразования аналоговых сигналов в дискретные
При методе квантования сигнала по уровню (рис. 64, а) аналоговый сиг-
нал разбивается на отдельные равные элементы (кванты ДУ) по уровню.
Уровень сигнала считается постоянным до момента его изменения на вели-
чину кванта ± ДУ. При этом система принимает новое значение сигнала,
прибавляя или вычитая величину ДУ из предыдущего. Как можно заметить,
момент преобразования будет происходить через неравные промежутки вре-
мени: чем медленнее изменяется сигнал, тем реже будет производиться пре-
образование. Этот метод может быть применен при медленно изменяющихся
плппппа rrr тт*чтг гчпнлшм rrnna rrr ттгх гг«л/\лппг y* ж
принимал, vaivi iipcuupadUDaicjw при. jivivi и}дс1 uinutnitJiDnu upuvimivi.
При методе квантования по времени (рис. 64, б) аналоговый сигнал раз-
бивается на равные промежутки (кванты At) по времени, через которые про-
изводится преобразование. Уровень сигнала внутри кванта At считается по-
стоянным. При этом аналоговый сигнал превращается в ступенчатый, оче-
видно: чем меньше будет величина At, тем точнее ступенчатый сигнал будет
соответствовать аналоговому. Поэтому для обеспечения заданной точности
[8У] необходимо выполнение условия At < 1/2 t§, где t§ - время изменения
самого быстрого параметра системы на величину допускаемой погрешности
управления [ЗУ], то есть сигнал надо считывать чаще в 2 раза, чем он может
измениться на величину заданной погрешности. Современные преобразова-
тели, обладая высоким быстродействием, позволяют производить обработку
высокочастотных сигналов с достаточной точностью.
75
5.3. Устройства, элементы микропроцессорных систем управления
Рассмотрим отдельные элементы МПСУ по рисунку 63.
1. Датчики предназначены для контроля параметров технологического
процесса (глаза и уши системы управления). Параметры представляются опре-
деленной физической величиной.
Примеры: датчики перемещений, температуры, давления, скорости, влаж-
ности и т. д.
Рассмотрим датчик температуры (термопару).
Рисунок 65 - Схема термопары и ее основные характеристики
Термопара представляет собой соединение двух проводников из разнород-
ных металлов (рис. 65, а). При воздействии на место соединения (спая) темпе-
ратуры t°C на концах проводников возникает т. н. термо-ЭДС Ub. Одной из са-
мых высокочувствительных являются хромель-копелевые термопары. Основ-
ными характеристиками при выборе датчиков являются зависимость выходного
сигнала У от входного X, т. н. статическая характеристика У = f(X) (для термо-
пары Ub = f(t°C) (рис. 65, б), которая необходима для определения чувстви-
тельности и диапазона измерения датчика. Второй важной характеристикой яв-
ляется динамическая характеристика У = f(t) при ступенчатом входном сигнале
X (переходная зависимость) (рис. 65, в), которая показывает динамические воз-
можности датчика, быстроты его реакции на входное воздействие.
Датчики либо проектируются, либо выбираются из выпускаемых с необхо-
димыми параметрами для обеспечения заданного технологического процесса.
2. Входные преобразователи (устройства сопряжения) предназначены для
преобразования выходных сигналов от датчиков в цифровой сигнал определен-
гжгт» г. К ЛГГ ГТ ГГГТ Г'кИГХЧГЧХЧ лтггчгп nr л«т» пгпппттггглп Г»1 гглпп т»
тли дрисня длл осида ыи в ivaia. цлл jlulu vm пал ui датика в
стандартный диапазон напряжения, а затем в цифровой сигнал при помощи
АЦП. Преобразователи выполняют следующие основные функции:
- усиление сигнала (усилители тока, напряжения),
- преобразование по виду энергии (пневмоэлектрические преобразователи),
- аналого-цифровое преобразование (напряжение в двоичное число).
Усилители применяются для преобразования слабых сигналов до стан-
дартного уровня в диапазоне измерения (0-1 В, 0-5 Вит. д.).
Преобразователи вида энергии позволяют преобразовать, например, опре-
деленное давление воздуха в электрический сигнал определенного уровня.
76
Для преобразования аналогового сигнала в цифровой применяются анало-
го-цифровые преобразователи (АЦП). Рассмотрим функциональную схему это-
го устройства (рис. 66).
Рисунок 66 - Схема аналогово-цифрового преобразователя (АЦП)
Рисунок 67 - Временные характеристики сигналов
в отдельных устройствах АЦП
АЦП содержит:
- входной вентиль, который попускает сигнал от генератора G при откры-
тии от управляющего сигнала Р,
- двоичный счетчик суммирует поступающие импульсы в двоичном виде,
- выходные вентили блокируют прохождение двоичного сигнала от счет-
чика на время преобразования,
- формирователь ступенчатого линейно изменяющегося напряжения
(ФСЛИН) преобразует двоичный цифровой код в определенный уровень
напряжения,
- компаратор производит сравнение двух входных сигналов (напряжений)
и при их равенстве выдает дискретный сигнал (импульс).
АЦП работает следующим образом. Преобразуемое напряжение Ub от
датчика подается на вход АЦП (на компаратор). При подаче сигнала Р (пуск
77
АЦП) (см. рис. 67) от микропроцессора входной вентиль открывается, счет-
чик обнуляется, выходной вентиль закрывается. Импульсы С от внутреннего
генератора начинают поступать на двоичный счетчик, и на его выходе фор-
мируется цифровой двоичный сигнал, при этом каждый новый импульс С
приводит к увеличению двоичного числа на выходе счетчика и одновремен-
но ступенчатому росту напряжения иф на выходе ФСЛИН, и при достиже-
иигы ргп ОАТтигиыипл Т Trh = ТТп еампопитлп olihuat гигиап Ч ГГпг-па пагл ovnn.
ХХХХХХ Ч/Х 4Z XJV“JXXX ХХХХХХЛХ VJ/ \^XJ^ xwrxvxxxvtprvt X XZXXX/^VX V* X VIXX XXUJX 11VVJXV 1V1 vr XZZX.K//J,
ной вентиль закрывается, а выходной открывается, цифра на выходе счетчи-
ка, соответствующая преобразованному сигналу Ub, от датчика поступает в
микропроцессор. Величина цифрового сигнала соответствует количеству
дискрет (ступеней) напряжения, формируемых ФСЛИН, и в сумме превы-
шающих значение Ub. К примеру, в соответствии с рисунком 55, до момента
равенства сигналов иф = Ub на счетчик поступило 8 импульсов, и ФСЛИН
сформировал уровень 0,1 х 8 = 0,8 В, после чего счет прекратился, и на вы-
ходе счетчика сформировалось двоичное число 1000.
3. Микропроцессорная система предназначена для обработки вводи-
мой цифровой информации и выработки управляющих сигналов для испол-
нительных механизмов. Это центральное устройство СУ. Для решения задач
управления микропроцессорная система должна иметь устройства для прие-
ма и передачи данных, хранения информации, логической обработки и вы-
числений. Состав элементов и архитектура различных микропроцессоров
могут отличаться друг от друга, что зависит от их специализации и необхо-
димых специальных функций, которые зависят от определенных задач
управления.
Архитектура микропроцессорной системы, показанная на рисунке 68,
содержит только основные элементы, которые входят в состав практически
любого управляющего микропроцессора.
Рассмотрим отдельные устройства, входящие в состав микропроцессор-
ной системы.
Шины адресов и данных (ШАД) служат для передачи между устрой-
ствами МП адресов ячеек и данных, хранящихся в них. Физически представ-
ляют собой проводники.
Устройство ввода - вывода (УВВ) предназначено для выбора требуе-
мой информации от датчиков и передачи ее в МП, а также для выбора внеш-
него устпойства и пепедачи ему команды от МП= Поедставляет собой ком-
мутатор, который по команде управляющего устройства принимает и пере-
дает данные от определенного датчика или отправляет команду на опреде-
ленное исполнительное устройство.
78
шина адресов и данных
сигналы
от датчиков
команды на
исполнительные
механизмы
Рисунок 68 - Схема микропроцессорной системы
Устройство памяти (УП) предназначено для хранения информации.
Различают основную (внутреннюю) и внешнюю память. Основная память
непосредственно подключена к ШАД. Основная (внутренняя) память - это
оперативное запоминающее устройство, внешняя - жесткий диск. CD.
флешкарта и пр. Устройства памяти бывают энергозависимые и энергонеза-
висимые, у которых информация остается после отключения питания. ОЗУ
является энергозависимой памятью. В него информация (программы) запи-
сывается при включении микропроцессора с внешних устройств (например,
с жесткого диска) и в процессе работы устройство управления производит
обращение (прием и передачу данных) непосредственно к нему. Физически
память представляет собой электронные запоминающие устройства, объеди-
ненные по нескольку штук в ячейки (см. рис. 69). Для различия ячеек им
присваиваются неповторяющиеся адреса. При обработке информации пер-
воначально происходит обращение к ячейке с определенным адресом и чте-
ние данных из нее.
Информация (числа, данные) в ячейках хранится в двоичном виде, например,
0001001011110. При этом единицей информации является 1 бит, 8 бит = 1 байт,
1024 байт = 1 килобайт и т. д.
Представление информации часто осуществляется в восьмеричном или
шестнадцатеричном виде. Перевод чисел из одной системы в другую осуществ-
ляется различными специальными методами.
79
Так, например, преобразование двоичного числа в восьмеричное осу-
ществляется триадами:
1011010000100101 (2) =132045(8)
Рисунок 69 - Устройство памяти
177774
177776
адрес
000000
000002
000004
000006
000010
000012
Устройство управления (УУ) предназначено для управления потоками
информации между устройствами (для расшифровки команд и передачи их в
АЛУ, передачи чисел и пр.) в соответствии с выполняемой программой. Про-
грамма, записанная в ОЗУ, представляется в виде отдельных команд, которые
последовательно считываются из ячеек памяти. Последовательность чтения
обеспечивается счетчиком команд.
Арифметическо-логическое устройство (АЛУ) предназначено для выпол-
нения определенных операций по команде устройства управления. Представля-
ет собой комбинационную схему с изменяемой структурой по команде устрой-
ства управления. Производит арифметические или логические операции.
Рисунок 70 - Схема арифметическо-логического устройства (АЛУ)
80
Рассмотрим простой пример арифметического вычисления в АЛУ.
Регистр 1
0 0 0 1 1 1 0 1
= 035(8) =29(Ю)
Регистр 2
0 0 1 0 1 1 1 0
= 056(8) =46(10)
команда от УУ - сложить арифметически
Регистр 3
0 1 0 0 1 0 1 1
= 113(8) = 75(10)
При выполнении данной операции в 3 регистре АЛУ появляется результат
сложения двоичных чисел. Сложение вручную производится столбиком: 0 + 0 = 0,
1+0=1,1 + 1 = 10 - при этом 1 уходит в старший разряд. Перевод двоичных чи-
сел в десятичные и их сложение позволяет убедиться в соответствии результата,
полученного при сложении двоичных чисел.
Регистры общего назначения. Это несколько отдельных ячеек памяти,
расположенных в ЦП, которые используются как вспомогательные для времен-
ного запоминания команд, адресов, данных.
Регистр состояния процессора (РСП). Отдельный регистр в ЦП, в кото-
ром отражается информация о состоянии процессора (переполнение, прерыва-
ние, равенство 0, перенос и т. д.).
Продолжим рассмотрение устройств, входящих в микропроцессорную си-
стему, по рисунку 63.
4. Выходные преобразователи (ВП) - это устройства, выполняющие
функции согласования сигналов от мП к приводам исполнительных механиз-
мов. Выполняют следующие функции:
- цифро-аналоговое преобразование (двоичное число в напряжение),
- усиление сигнала (усилители тока, напряжения),
- преобразование по виду энергии (электропневматические преобразователи),
- гальваническая развязка (защита от обратных токов).
5. Приводы исполнительных механизмов - это различные двигатели
(электрические, пневматические, гидравлические и др.) и передаточные меха-
низмы (рычажные, зубчатые, ременные передачи и пр.) как источники энергии
rrrrrr »rr»rr/Mnrrrrrnna rrr rrr yv ж лax/n тттггкш
ДЛЯ HVHUJmnitJlDHDlA ivi^AanruivivD.
6. Исполнительные механизмы - различные устройства, непосредственно
воздействующие на объект и изменяющие его состояние (выходной параметр,
процесс). Заслонки, суппорты, газовые горелки и пр.
81
5.4. Системы числового программного управления станками (СЧПУ)
Современные микропроцессоры позволяют создавать системы управления
сложным технологическим оборудованием. Одним из таких примеров являются
станки с ЧПУ [8].
Структура систем ЧПУ современных станков может быть представлена в
ПЫГТА ТПРУ гЪх/иГЬ-ЧЫЛиГП nrr.urr.iv Лгтлтлп /пир 714 ЫГ1ГПГТГ.ГЙГ МО Ы>ТГ>ПГ.ГУ ОГ.ГПЛ ГТиГОАТ
ХЛХ1./ЦЧ/ Xp/W'ZX XXXVXJ,XX WXXV4UXXZXXXJXZX. WJX WXV4ZXJ у£/ЖХЧ/« I X XVV4ZXV/-1,X>XXX IIJ XK4Z X KZ^/XXXZX. UXJXXl VJXXX/XV X
определенные функции:
1. Устройства ввода - вывода программы управления процессом обработ-
ки. Обеспечивают ввод и вывод управляющих программ.
2. Устройство ЧПУ. Предназначено для управления исполнительными ме-
ханизмами станка и вспомогательных устройств.
3. Станок как система исполнительных устройств для осуществления за-
данного процесса обработки.
Рисунок 71 - Функциональная схема управления станком с ЧПУ
Управляющая программа (УП) содержит последовательное описание ко-
манд исполнительным механизмам станка, записанных в специальном коде
(ИСО). Выполнение программных команд осуществляется УЧПУ в режиме ре-
ального времени. При этом решаются следующие основные задачи:
82
- технологическая: обеспечение последовательности обработки детали в
соответствии с технологическим процессом,
- геометрическая: обеспечивающая траекторию движения инструментов,
- логическая: направленная на управление последовательностью включе-
ния дискретных устройств по циклу,
- терминальная: обеспечивающая связь с оператором.
VFI ППЛТТЫ'ГГ'ОГ D VUTTV f ПХ/ТТГ-Та (ПП ИР ГТмЧ ППРПЯТЛП!) гтиНл f D ИРГ Г Г пи V ПЛРПТР.
J Л. Л. X»X»W/J,JX X Ч//Х X* «Z Л.Л.Л.*? V* XXjr«,XX»XlX yXXt*XX4/JXXAy ЧЛХХЧ/^/Ъ* X V> ХЛХХ vxxxxxxxzx xxvvxxxv
лей (флешкарта, диск) или с ЭВМ внешнего уровня и записывается в оператив-
ную память.
Оперативная память служит для хранения и оперативного использования
загруженных с внешних носителей УП.
Системная память служит для хранения системного программного обес-
печения (СПО), которое представляет собой совокупность программ, отражаю-
щих алгоритмы функционирования конкретного объекта управления (станка),
поскольку различные объекты (станки) имеют различные исполнительные ме-
ханизмы и их связи (различные приводы: гидравлические, шаговые, постоянно-
го тока и др., определенное количество координат и др.).
Интерпретация кадра. УП состоит из отдельных частей - кадров, кото-
рые содержат информацию в виде команд, координат, скорости и др. Обработка
очередного кадра требует определенных вычислительных операций и формиро-
вания управляющих команд. Для обеспечения непрерывности работы объекта в
режиме реального времени при выполнении команд управления по i кадру про-
изводится чтение, расшифровка, вычисления i + 1 кадра.
Интерполяция. При решении геометрической задачи СЧПУ должна с
максимальной точностью обеспечить перемещение обрабатывающего инстру-
гтхч , rrr'nrinrrrrr т» I г» пггггппгл ж в аглт'/млтгтг г» пл
ivitnia iiv указанным и кадре; киирдппахам ipa^Kivpnn и vuuiDtivionn v за-
данной функцией интерполяции. Различают линейную и круговую интерполя-
ции. Для этого используют оценочные функции в виде прямой (у = ах + Ь) или
окружности ((х - а)2 + (у - b)2 = R2). Интерполяция позволяет при помощи дис-
кретных перемещений (ДУ, ДХ) по отдельным координатам максимально точно
обеспечить заданную траекторию перемещения инструмента.
Одним из алгоритмов работы при линейной интерполяции является сле-
дующий (рис. 72). Если точка обработки находится ниже оценочной функции
(зона -), то производится одновременное перемещение по координатам У и X
дискретами ДУ и ДХ до момента перехода точки обработки в зону +, выше
оценочной функции. После чего осуществляется перемещение по координате X
83
дискретами ДХ до момента перехода в зону (-), и так далее. Аналогично проис-
ходит процесс при круговой оценочной функции (круговая интерполяция).
Управление приводами подач. Управление перемещением суппортов, сто-
лов по отдельным координатам. Сложность управления зависит от типа приво-
да (постоянного тока, асинхронный, шаговый...) и сводится к организации циф-
ровых следящих систем, обеспечивающих соответствие положения по опреде-
JXVXXXXVIX XV4ZW|_'/-1|XXXX14 X V* XVKZ^VXXVX} xxvjx
ТТАИИпй иППП ТТЫИПТА ПА ТТХ/иГАиГИГЛХЛ ПА ПАОХ/ПЬТгаТЯХ* ППТАППАПаТГПП ГТ ПИ АТАК
определение истинного положения перемещающегося органа (стола) осуществ-
ляется при помощи датчиков обратной связи. Возможна работа и без датчиков
обратной связи (ДОС).
Управление приводом главного движения. Управление предусматривает
включение - отключение привода, обеспечение и стабилизацию заданной ча-
стоты вращения шпинделя. Кроме того, возможно управление углом поворота
при использовании шпинделя в качестве устройства с дополнительной коорди-
натой.
Логическое управление дискретными устройствами. Это управление тех-
нологическими узлами дискретного действия по определенному циклу (после-
довательности включения - отключения приводов устройств). Например, обдув
направляющих, подача СОТС, отвод стружки и т. д.
Коррекция на размер инструмента. При отклонении размеров инструмен-
та от прописанного в программе производится коррекция УП. Коррекция на
длину инструмента - параллельное смещение определенной координаты, кор-
рекция радиуса - коррекция эквидистанты на величину отклонения и др. (до 15
параметров).
Реализация циклов. Циклами считаются последовательности действий при
rrrrannnn ггаггтгтг лппп тт tv nravrr/ч гглгчттт лггалпгтгггг /лпа*л ггатттта г»атгтлаллпп
v 1 агадарiпыл i^axivjivi nntvRnA миграции оспл-срмва-
ние, нарезание резьбы и др.). Циклы реализуются при помощи подпрограмм и
позволяют существенно упростить УП. При этом назначаются только режимы
проведения операции. В УЧПУ может храниться до 500 стандартных циклов, в
том числе написанных пользователем.
Смена инструмента. Применяется для многоинструментальных и много-
целевых станков. При смене инструмента производится поиск гнезда магазина
с требуемым для следующей операции инструментом, снятие со шпинделя ин-
струмента от предыдущей операции и установка его в соответствующее гнездо
магазина, установка в шпиндель следующего по программе инструмента.
Коррекция погрешностей устройств. Устройства станка имеют погрешно-
сти: люфты, несовершенство жесткости, ошибки шага, температурные погреш-
ности, погрешности (износ) направляющих и т. д. Данные погрешности устанав-
ливают специальными аттестационными измерениями, результаты которых за-
носятся в виде таблиц в память СЧПУ и используются для корректировки УП.
Адаптивное управление. Используются специальные датчики для контроля
технологических параметров (силы резания, температуры, вибрации износ ин-
струмента...) и используются для оптимизации процесса обработки при измене-
нии условий.
84
Накопление статистической информации. Производится фиксация от-
дельных состояний и событий в процессе эксплуатации станка, они использу-
ются для анализа работы станка в целом и его отдельных агрегатов: определе-
ние коэффициента загрузки, времени различных простоев, количество произве-
денных деталей, наработки отдельных узлов и пр.
Автоматический встроенный контроль. Организация контроля в зоне об-
ПпНлТЬЧЛ ПыНл ЫГ'ПЛГТГ.ЧЛППиГЫА гтапг!! D VOUArTDA Ь-ЛиГ'ГПЛПГ.иГЛ-ИЧХЛАГЛИ'ГАГТГ.иГлй
X XVXX JXXXVV ХХЧ/Х1 ЧЛХХЪХХХХХЧ/ Ч/ХЪ*ХХХЪЪХ X* XVV* JVV1UV XX4ZXX X^/4Z^XX»XX4Z XX«XXVX4/^XX X 4/^XX»XX4ZXX xvxxx
шины (КИМ). Позволяет существенно повысить качество.
Оптимизация режимов и циклов. Специальные программы, позволяющие
оптимизировать обработку по времени или режимам обработки при условии
обеспечения заданного качества.
Управление смежными объектами. Предусматривает управление про-
мышленными роботами для загрузки станка, автоматическим складом и др.
Связь с оператором. Обеспечение связи системы ЧПУ с оператором при
помощи панели оператора (дисплей, кнопки управления для организации ввода
и корректировки программ управления, а также ручных команд системе управ-
ления).
К дополнительным функциям можно отнести: обмен информацией с ЭВМ
верхнего уровня, техническая диагностика технологического оборудования и
самой системы ЧПУ.
Существующие СЧПУ классифицируются по ряду признаков. По способу
задания, ввода программ управления:
NC - Numerical Control (ввод - чтение покадрово).
SNC - Stored NC (с памятью, для ввода управляющей программы и после-
дующего ее чтения).
CNC - Computer NC (с применением компьютеров).
DNC - Direct NC (передача программы и управление от центральной ЭВМ
верхнего уровня).
HNC - Handled NC (ручной ввод программ).
VNC - Voice NC (голосовой ввод программ).
NEURO - FUZZY - системы управления с использованием алгоритмов не-
четкой логики (обучающиеся интеллектуальные системы).
Кроме того, в зависимости от способа управления координатами СЧПУ
станки обозначают:
лгглнпаигт гг»» тт»гг?птт»гаг1 rr/\Ti«mr гпл тлигат» плгггггтггггг т * атгтатгггтг
— vnvi^xvwi v ппднкацп&п, никсиошагищсн Dtjmnnnm ntptivivintnnn раии-
чих органов.
Ф2 - позиционные системы, в них обеспечиваются только координаты от-
дельных позиций, траектория перемещения между отдельными позициями не
контролируется (координатные, сверлильные, расточные станки).
ФЗ - контурные системы, в них программоноситель содержит команды
управления скоростью и траекторией перемещений рабочих органов (токарные
станки).
Ф4 - комбинированные системы (многофункциональные станки, обраба-
тывающие центры).
85
5.5. Системы управления промышленными роботами
Задачи управления промышленными роботами отличаются от задач, реша-
емых в станках с ЧПУ. В обрабатывающих станках в основном обеспечивается
перемещение отдельных исполнительных устройств (столов, суппортов) по за-
данным траекториям и с определенными параметрами. При этом система взаи-
хллгтАйг'тпх/АТ f пптиыьт1х?гиг лбпотплй rnaiu w мг'плттигытАгтг.игглхлиг HAvauiiQuonn R
1VX W/J'V'.rX V* X UJ Ч/ X V> (ЦЫ1 XXXXVMXVXXX VVjJWlllVIl K/XX/X^JXX XX iXVXXVJXXXXXX VUXUXXUX1UIX XVX4//XVXXXXX%XXVX^XXVXXX« x_*
промышленных роботах задача управления, кроме того, осуществляет взаимо-
действие с объектом манипулирования. Рассмотрим основные задачи, решае-
мые системами управления промышленными роботами.
Информационные задачи:
- определение места расположения и ориентации объектов,
- идентификация, распознавание, определение состояния объектов.
Управляющие задачи:
- обеспечение траектории движения исполнительных механизмов для вза-
имлпрйптрма г nfvKPtrrnM мянипипыплвяииа
V 1 W W MVXV X V4.4 XTXV*XXXXXX^
- захват или привязка к объекту,
- перемещение объекта в соответствии с задачей или воздействие на объ-
ект (обработка).
Эти задачи существенно превышают по сложности задачи, решаемые об-
рабатывающими станками, так как связаны с большей вариативностью среды
функционирования. Алгоритмы управления промышленными роботами в этом
случае также будут более сложными.
В зависимости от назначения промышленные роботы разделяют на следу-
ющис основные ВИДЫ’
- транспортные: для загрузки - выгрузки и перемещения грузов на отно-
сительно большие расстояния (от склада к станку и обратно),
- загрузочные: для перемещения деталей из накопителя в зону обработки и
обратно,
- технологические или обрабатывающие: для обработки деталей (покраска,
сварка, резка, механическая обработка и пр.),
- сборочные: для перемещения деталей и соединения их в сборку,
- контрольные: для контроля параметров объекта.
Для решения указанных задач и их сложности системы управления робо-
тами могут иметь три типа систем управления.
Цикловые системы обеспечивают управление только циклом или последо-
вательностью движений, действий отдельных исполнительных механизмов робо-
та в соответствии с технологической задачей. Это самые простые системы, про-
граммы управления которыми не содержат информации о величинах перемеще-
ний, задаваемых при помощи упоров или кулачков, установленных непосред-
ственно на самих исполнительных механизмах. Как правило, количество фикси-
рованных положений отдельных исполнительных органов не превышает трех.
Такие системы применяются в основном для загрузочных роботов или в
других случаях при относительно простых траекториях и ограниченном коли-
86
честве точек позиционирования в условиях относительно редкой потребности
изменения циклов работы робота.
Позиционные системы содержат устройства для позиционирования испол-
нительных механизмов во многих точках пространства, для чего робот оснаща-
ется специальными приводами, а программа содержит информацию о точках
позиционирования исполнительных органов и цикле работы промышленного
W4Z X <Л«
Такие системы применяются, например, в сборочных или монтажных ро-
ботах, при взаимодействии с различными объектами манипулирования и отно-
сительно большом количестве точек позиционирования манипуляционного
устройства.
Контурные системы содержат практически все устройства, как у рассмот-
ренных выше станков с ЧПУ (см. п. 5.4, рис. 71). При этом манипуляционное
устройство робота может перемещаться по сложным траекториям с заданной
скоростью, производя обработку деталей (покраску, сварку, резку, механиче-
скую обработку и пр.), для чего оно оснащается соответствующим инструментом
и механизмом (краскораспылителем, сварочной горелкой, гидроабразивной го-
ловкой, шпинделем с обрабатывающим инструментом и пр.). Программы управ-
ления роботами в этом случае также аналогичны программам станков с ЧПУ.
На рисунке 73 показана организация системы управления промышленного
робота.
Рисунок 73 - Организация системы управления промышленного робота
Для получения информации об объекте манипулирования система управ-
ления содержит датчики внешней информации, которые могут определять
наличие объекта, его характер, его положение, состояние и т. д. Информация об
объекте передается в систему управления для ее обработки и принятия решения
о процессе манипулирования в соответствии с поставленной задачей. Процесс
87
манипулирования осуществляется при помощи исполнительных механизмов,
состояние которых отслеживается датчиками внутренней информации. Обра-
ботка информации от датчиков, принятие решения и формирование команд на
исполнительные механизмы осуществляется управляющей системой в соответ-
ствии с поставленной задачей, содержащейся на программоносителе.
Учитывая сложность указанных задач, связанных с накоплением и обра-
НлТУлй КлГТГ-ЧГЛГЛ лЛт-АХЛП Г1игЬлГ>Х*<11ГГЛГЛ ПА1ТГАПИА ИГУ ЛГ'ГГТПАГ'ТО ТТОГА'ГГ'ОГ ГГЛГ1 ПЛИЛГТШ
VVXXX.VXX WJ1ULUV1 V 4Z4Z ХХЧ/ХТХЪ* XXXXljZ ЧХ^/ХТХЪХЛ-^ХХХХ^ JJVIXXVIIJIV ХХ/Х wjr Л-Ы)Ч/Ч>' X XZZXZX4/ X V<ZX XX^ZXX XXXZXVXXZXJ-^XX
микропроцессорных устройств, которые выполняют логические и вычисли-
тельные операции. При организации управления сложными системами задача
разбивается на иерархические уровни, на каждом из которых используются
различные микропроцессоры. На низшем уровне, где решаются задачи локаль-
ного характера (преобразование сигналов, определение состояния датчиков, ре-
гулирование технологических параметров, простейшие вычисления, отображе-
ние информации и т. д.) могут применяться простые и недорогие микропроцес-
соры типа PIC, AVR (ATmega), MSP (8-, 16-битные). При этом задание на обра-
ботку информации они получают от микропроцессора верхнего уровня, осу-
ществляющего общее управление объектом и процессом, где могут быть при-
менены мощные микропроцессоры INTEL, AMD (32-, 64-битные), обеспечива-
ющие обработку больших объемов информации с высокими частотами.
Контрольные вопросы к главе 5
1. Режимы использования микропроцессоров в системах управления, схе-
мы организации.
2. Организация микропроцессорной системы управления (МПСУ), элементы.
3. Устройства и элементы МПСУ, работа.
Л ухлнпч г»лл Агглтак ггтгл гглплггл гтллг^лликгглггл 1 гггллпггатгтггг /Т1П\Л
т. vntitM ntivjiuouiu upvipaiviivinvi v pipaDJivnrui j.
5. Системы управления промышленными роботами.
88
Глава 6. ЭЛЕМЕНТЫ АСУ ТП
6.1. Классификация элементов АСУ ТП
Системы автоматического управления состоят из отдельных, объединен-
ных между собой элементов, которые в совокупности обеспечивают решение
чпгтпи xzrrnnпгтаипa Anainurumv гл гйлплм ыиггКлгтклптттти л(хг»п(хлт1гА АА ы гЬг>г»х*глпг>_
\* Л J ХХ£^Ъ*Х»«;ХЧ/ХХХХ/Х} ч/хлхх%хчхххх1х»х/х Ч/ЧЛ Ч/ ЧЛЧЛ^/ЧЛХТХ *XXXk^/4/^/XVX«лх^хххх^ 4Z4Z^/4X4Z4Z ХХЧЧ/ Ч/Ч/ XX k^/4Z^/XVXXX^/4Z
ванием управляющих воздействий на объект.
При создании систем управления выбор элементов осуществляется с уче-
том следующих факторов:
- условия работы объекта и системы управления (параметры среды),
- вид объекта управления (дискретный, аналоговый),
- функциональные возможности,
- динамические характеристики процесса управления,
- точность управления,
- стоимость.
Учитывая структуру систем управления и задачи, решаемые ими, рассмот-
рим классификацию элементов систем автоматического управления по их
функциональному назначению (рис. 74).
Рисунок 74 - Классификация элементов
систем автоматического управления
1. Датчики предназначены для решения задачи сбора информации о состо-
янии объекта управления и технологического процесса. Они представляют со-
бой устройства, преобразующие входную величину в определенный сигнал, ко-
торый может быть передан с систему управления и соответствующим образом
обработан.
2. Входные преобразователи предназначены для преобразования (согласо-
вания) сигналов от датчиков в форму и величину, необходимые для передачи
этих сигналов в управляющую систему.
3. Управляющие устройства. Выполняют основную функциональную за-
дачу управления: обработку информации, поступающей от датчиков, хранение
информации и выработку управляющих сигналов на исполнительные механиз-
мы объекта управления по специальному алгоритму в соответствии с законом
управления.
89
4. Выходные преобразователи предназначены для преобразования (форми-
рования) сигнала от управляющей системы в форму и величину, необходимые
для передачи их на приводы исполнительных механизмов.
5. Приводы исполнительных механизмов предназначены для обеспечения
необходимой мощности для приведения в действие исполнительных механиз-
мов.
А чогтлпмы nriATTurmurauAurr-i ттпог игАгтлг'ПАГтг'тпАигилт'л опч.
кУ. Л. Л HJJH ИЫГ HsMUt ил V' 1V1XU1 XIV11 wyv/^v 1UVX1L1VX V
действия на объект управления с целью изменения его состояния в соответ-
ствии с заданным законом, обеспечивающим реализацию технологического
процесса.
Представленные элементы систем автоматического управления техноло-
гическими процессами, их назначение, принципы действия, требования при вы-
боре, рассмотрены ниже.
6.2. Датчики
При выборе датчиков для систем управления необходимо выполнить ряд
требований, связанных с назначением системы управления и условиями ее экс-
плуатации. Среди основных требований рассматривают следующие:
- вид и характер измеряемого (контролируемого) параметра,
- обеспечение заданной точности измерения контролируемого параметра,
- обеспечение необходимого диапазона измерения, при этом желательно
линейного характера,
- динамические свойства датчика для обеспечения динамических характе-
ристик процесса управления,
«rnrrrrrrria nr tv/\ тт«»лгл nrmrrnnrn ггл nrrnrr пггаглпггтг т» паггтггттггга л/чг'ггпл'О'глгггггххгг
— ncuninnt вылидпши vm пала ни ни n Dvamnnt, vui jiav^xvinzuvm-
ся с управляющей системой,
- возможность размещения датчиков в рабочей зоне, т. е. габаритные раз-
меры и форма,
- надежность,
- стоимость.
Обеспечение данных требований в оптимальном виде возможно при рас-
смотрении общего обзора существующих современных устройств.
В основе датчиков применяются чувствительные элементы с использовани-
ем физических процессов, протекающих в этих элементах и позволяющих осу-
ществить необходимое преобразование сигналов. Так, например, в датчике дав-
ления, схема которого показана на рисунке 75, в качестве чувствительного эле-
мента использована мембрана. При воздействии давления мембрана деформиру-
ется, при этом на ее поверхности меняются механические напряжения, которые
могут быть преобразованы при помощи тензорезисторов, наклеенных (нанесен-
ных) на ее противоположные стороны, в электрическое сопротивление. Сопро-
тивление при помощи резисторного моста преобразуется в токовый сигнал.
90
Рисунок 75 - Схема датчика давления
Таким образом, давление Р(Па), поступающее на вход датчика, приводит к
прогибу мембраны и противонаправленной деформации тензорезисторов и
преобразуется в ток J(a) на его выходе.
Рассмотрим классификацию датчиков.
Датчики по направлению применения.
Состояния процесса управления. Контролируют состояние процесса
управления (температуру, давление, влажность, положение, скорость и пр.).
Иначе эти датчики называют датчиками внешней информации.
Состояния исполнительных механизмов. Контролируют состояние испол-
нительных механизмов объекта управления (положение, перемещение, ско-
рость и пр.). Иначе - датчики внутренней информации.
Датчики по виду контролируемого параметра.
Датчики положения (перемещения, размера), (м). Это наиболее распро-
страненные датчики, которые позволяют контролировать положение и переме-
щение отдельных частей механизмов, размеров деталей, шероховатости по-
верхностей, взаимного положения поверхностей. В качестве чувствительных
элементов для контроля перемещений используют различные устройства, из-
меняющие свое состояние под воздействием перемещений. Так, например, ме-
ханические упругие элементы (механические датчики), контакты (контактные
датчики), источник - приемник света (фотодатчики), пластины конденсатора
/гллтт па»гrrnnrrrrrr?rr\ w an гггггпплгг*ллпл п rirrar/1 /гггт ттч пллптгпггг та ггллпгтггтлтг) ттл
^лмпд^пъах vpnoic; да i пи-пи.7, та! пи i мирмвмд n.ai juitix. (ипд) л 1 iwiwit да 1 пикну, nv
точник - приемник акустических колебаний (акустические датчики) и пр.
Датчики скорости, (м/с). Датчики, контролирующие скорость перемеще-
ния, могу быть основаны на эффекте формирования ЭДС при движении про-
водника в магнитном поле (тахогенераторы). Для измерения частоты вращения
применяют датчики с центробежными элементами (центробежные датчики). В
настоящее время часто применяются частотные датчики, которые используют
формирование частотного сигнала при перемещении прерывистого объекта
(диск, пластина с прорезями и т. п.).
91
Датчики ускорения, (м/с2). В этих датчиках в основном применяется фи-
зический закон Ньютона F = m х а (где F - сила, m - масса, а - ускорение), т. е.
при воздействии ускорения на определенную массу, формируется определенная
сила, которая в дальнейшем воспринимается другим чувствительным элемен-
том (акселерометры).
Датчики температуры, (°C). Для измерения температуры применяется
nOQnWUULTV AVTYW U9MAUАИПА 1ПРГТГШиАРГПГЛ Г ЛППЛТИО ПРПЫО
ХТЛХХ WZXV4/V* X XJV £ZIX^?ZXXX XXXXZXZX. Vl>. XX_/XVX Ч/Х.Х V'XXXXV' 1VVXWXV vvrxxprv, X XXXZZX4/X1XXZX
(терморезисторы), термо-ЭДС (термопары), изменение объема или размеров
тел под воздействием температуры и пр.
Датчики силы, (Н). Для измерения сил датчики в основном используют
деформацию упругого механического элемента (пластины, пружины) под воз-
действием усилия. При этом возникает определенное перемещение, которое
преобразуется другими рассмотренными выше элементами.
Датчики напряжения (механического) в материале конструкции, (Па).
Для этого датчики встраиваются в поверхность элементов конструкции и фик-
сируют растяжение или сжатие поверхности (тензодатчики).
Датчики момента, (Н х М). По сути, это датчики сил, действующих на
определенное плечо.
Датчики давления, (Па). Датчики давления используют принцип форми-
рования силы при его воздействии на определенную площадь, а далее осу-
ществляется измерение этой силы при помощи рассмотренных выше устройств.
Датчики расхода, (м3/с). Для измерения расхода чаще всего в датчиках
используется принцип измерения прохождения определенного объема (или
массы) жидкости (или газа) в единицу времени (лопастные датчики), или пере-
пада давления в трубопроводе на определенном участке с сопротивлением. Раз-
rrrrrrn nnnrrarrrrrr rrr»i ха*л«тппт ллггтггххгг ттлнг'гтггтлп» xrr
гнида давлении пжерлхвел vwiDtiViDjBJinniviri Да 1 ппламп.
Датчики влажности (%). Используют принцип измерения разности тем-
ператур сухого и влажного термометра, т. е. применяются два термодатчика.
Либо изменение электрической проводимости элемента при воздействии влаги.
Датчики уровня, (м). Датчики уровня жидкости, как правило, - это датчи-
ки перемещения большого диапазона измерения. Могут использовать принцип
измерения времени прохождения акустического сигнала до поверхности и об-
ратно (акустические датчики), или измерение перемещения поплавка, находя-
щегося на поверхности (поплавковые датчики).
Датчики освещенности (света), (лм). Используют принцип изменения
проводимости некоторых полупроводниковых материалов под воздействием
света (фотодиоды, фоторезисторы) или формирование ЭДС под воздействием
света (фотоэлементы).
Датчики цвета, (нм). Датчики цвета позволяют определять R, G, В ком-
поненты цвета с помощью специальных светодиодов.
Датчики химического состава (газа, жидкости). Используют электрохи-
мические принципы действия, т. е. химические процессы, которые сопровож-
даются появлением электрического тока.
92
Датчики по виду выходного сигнала.
Аналоговые. Имеют аналоговый (непрерывный) сигнал на выходе.
Дискретные (пороговые). Имеют дискретный (импульсный) сигнал на вы-
ходе.
Цифровые. Формируют на выходе цифровой (двоичный) сигнал.
Датчики по виду энергии и виду чувствительного элемента.
Механические. Используют законы механики.
С упругими элементами. Используют закон Гука, т. е преобразуют пере-
мещение в силу или наоборот.
Рычажные. Используют рычажные элементы для функционального пре-
образования входной величины в виде перемещения или силы, меняя ее вели-
чину, или графика изменения.
Мембранные. Используют мембранный чувствительный элемент для пре-
образования давление газа или жидкости в перемещение мембраны или напря-
жение в ее материале.
Tennnnnrnnimimenkm.w Urnnnkwww гппйгтпл Tn^nnuiY три ж-йпк’лгтрй и пи
Л. ЪрГ Г * • A ЛЛ VZ Я Л. Л. ЛЛ VZ * * ~ '2. '• \* W ЛЛ-ЪЛ Л.
газов увеличиваться в объеме при нагревании, т. е. преобразуют температуру в
перемещение.
Центробежные. Используют преобразование вращательного движения в
центробежную силу, обеспечивая измерение частоты вращения.
Инерционные. Используют закон Ньютона и преобразуют ускорение в силу.
Электрические. Используют законы электричества.
Резисторные. Используют эффект изменения сопротивления проводников
при изменении температуры (датчики температуры), при изменении механиче-
ского напряжения в проводнике (датчики напряжения в материале), при изме-
нении длины проводника (реостатные датчики перемещения).
Полупроводниковые. Используют эффекты изменения проводимости полу-
проводников при различных воздействиях на них. При изменении магнитного
поля (датчики Холла), температуры, давления, силы, света и пр.
Индуктивные. Используют эффект изменения индуктивности катушки при
изменении геометрии магнитопровода (датчики перемещения, силы).
Индукционные. Используют эффект формирования ЭДС при перемещении
проводника в магнитном поле (датчики скорости, магнитного поля).
Емкостные. Используют зависимости электрической емкости от площади
пластин, расстояния между ними и диэлектрической проницаемости среды
(датчики перемещения, состава среды).
Контактные. Используют электрические контакты для преобразования
перемещения в дискретный сигнал.
Пьезоэлектрические. Используют так называемый пьезоэффект в некото-
рых материалах (кварц, титанат бария), у которых на различных сторонах кри-
сталла формируется ЭДС при воздействии на них силы, давления. Используют-
ся как датчики частоты и амплитуды механических и акустических колебаний.
Термопары. Используют эффект возникновения ЭДС при воздействии тем-
пеоатуоы на соединение двух оазнооолных металлов Г датчики темпеоатуоыГ
1 J 1 ' ’ ' ’ J А * А ' r ’ V ’ A J А Z
93
Пневматические. Используют законы аэро-гидро-механики и зависимо-
сти давления или расхода от параметров потока и используемой среды (плотно-
сти, сечение канала).
Дроссельные. Используют зависимость сопротивления течению жидкости
или газа при изменении проходного сечения канала, которое может зависеть от
положения отдельных элементов (сопла и заслонки).
•ягм rrtmr'Tur мпп fqqq
/IVXX^XWVXXX XXUXXX х ъх^ьх
друг с другом или с твердыми телами. При этом изменяются параметры потока
(скорость, давление, направление).
Вихревые. Используют вихревые потоки, в которых возникают центробеж-
ные силы, изменяющие поля давления при взаимодействии с твердыми поверх-
ностями.
Оптические. Используют законы оптики. Преобразуют в электрический
сигнал силу света, которая может быть функцией различных физических вели-
чин (положения, качества поверхности, толщины материала и т. д.).
Фотоэлектрические. Используют излучатели и приемники света, распо-
ложенные друг против друга или рядом, используя отраженный сигнал. При
этом световой луч практически не фокусируется.
Лазерные. Используют в качестве источника света лазеры, которые имеют
узконаправленный поток света, что обеспечивает работу датчиков на больших
расстояниях и с высокой точностью.
Магнитные. Используют законы магнетизма.
Датчики Холла. Используют эффект изменения проводимости полупро-
водников под воздействием магнитного поля. Используются как датчики поло-
жения.
Герконы. Используют два герметичных контакта, которые замыкаются при
воздействии на них магнитного поля. Используются как датчики относительно-
го положения контактов и магнита.
Акустические. Используют законы акустики и применяются в качестве
датчиков расстояния или параметров среды путем измерения времени прохож-
дения акустического сигнала от излучателя к приемнику, которое может зави-
сеть от расстояния между объектами или состава среды. Как и оптические дат-
чики выполняются по двум схемам: двухсторонней (друг против друга, на про-
свет) и односторонней (используют отраженный от препятствия сигнал).
магнитострикционные. Используют в качестве излучателей и приемников
катушки с сердечниками (магнитопроводом) в виде концентраторов акустиче-
ских колебаний.
Пъезоакустические. Использующие для формирования и приема акустиче-
ского сигнала пьезоэлектрические материалы (кварц, титанат бария), которые
обладают т. н. пьезоэффектом, проявляющемся в изменении размера материала
при приложении к нему электрического потенциала (излучатели), и, наоборот,
при механической деформации материала на его поверхности образуется раз-
ность потенциалов (приемники).
94
Пневмоакустические. Использующие для формирования и приема акусти-
ческого сигнала пневмоакустические элементы. Для излучения акустического
сигнала используются свистки, генерирующие акустические колебания при
натекании струи газа на острую кромку, а для приема - струйные элементы, в
которых используется эффект турбулизации ламинарного потока под воздей-
ствием акустических колебаний определенной частоты.
Ия nriPlZUVA ТА ППАГТРТ5>ППАии ПАГЛТЛПЬТА ПаТПИГМ ЫГ'ГТГ» ПГ.ЯХ7АК4Г.1А D ftlUAPTDA
X ХЪХ р/ХХЧ/ J XXXVV* I \Х ХХ^ХЧ//^Ч/X VXXX^XV'XXXXX ХХЧ/ХЪЧХ X ЧХ|ХХХХЧ>>’ (ЦМХ ХХХХЧХХ^ XXV'XlKZJXXX^jr V'XVXXXXV' XX XVU JVVXUV
входных устройств систем управления.
Рисунок 76 - Общий вид датчиков
На рисунке 76: а) - индуктивный датчик с дискретным выходным сигна-
лом, используется как конечный выключатель, взаимодействует с металличе-
ской поверхностью, б) - фотоэлектрический датчик, срабатывает при введении
в зазор между излучателем и приемником непрозрачного объекта (пластины),
в) - герконовый выключатель, взаимодействует с магнитом, происходит замы-
кание контактов («сухой» контакт), г) - струйный датчик положения, имеет
аналоговый выходной сигнал - давление, величина которого изменяется от рас-
стояния до поверхности, диапазон измерения - 0...10 мм, д) - ультразвуковой
датчик положения поверхности одностороннего исполнения (отраженный сиг-
нал), имеет аналоговый выходной сигнал в зависимости от расстояния до по-
верхности, диапазон измерения - до 3 м, е) - датчик угла поворота вала (энко-
дер), имеет цифровой (кодовый) сигнал на выходе в зависимости от углового
95
положения, ж) - комбинированный датчик контроля температуры и влажности
атмосферы, имеет цифровой выходной сигнал, з) - датчик давления дифферен-
циального типа с аналоговым сигналом на выходе в виде напряжения от 0... 1 в,
в зависимости от разности давления в двух подводящих каналах, и) - датчик
температуры - термосопротивление, имеет аналоговый выходной сигнал - со-
противление, изменяющееся в зависимости от температуры, к) - датчик осве-
ШАиИЛГТИ Г* -1П5>ПЛГПО1.Г»1 DLlVr» ПИЧИ Г'ЫГИЯ гЛ _ ПУТИНЕ IIDPTQ R ГтК ППО АППА.
XJ-I, VXXX1V V X XX Ч/ VXXXVWXWX WL, XXX-LVX XX XXXZX.W/J,XXXXX1»X VXXX XXVWXVXVX} Дих ХХХХХ Л-^ЛЛЧ/ЛЪЖ ^\jxzx wxxp/ч/
деления цвета поверхности.
В настоящее время промышленностью выпускается большое многообразие
рассмотренных датчиков, обеспечивающих выполнение практически любых за-
дач контроля и измерения с заданными требованиями. Среди всего многообра-
зия выпускаемых датчиков необходимо выбирать модели, наилучшим образом
обеспечивающие выполнение поставленных задач в соответствии с вышена-
званными, а также специальными требованиями, например, теплостойкость,
пожаровзрывобезопасность, влагозащищенность и пр. Как правило, при выборе
в первую очередь рассматривается диапазон и точность измерения.
6.3. Входные преобразователи
Выходные сигналы от датчиков и других периферийных устройств в си-
стемах управления преобразуются при помощи входных преобразователей, ко-
торые классифицируются следующим образом.
Преобразователи по характеру выполняемых функций подразделяются на:
- преобразователи вида энергии,
- усилители (по величине энергии),
ПГ¥П ГГЛГЧЛ YYYY YA Л Л Г»/Ч Г» ПГЛ FY Y Y
— anajivi wpaovoa х tJin.
Преобразователи вида энергии предназначены для преобразования энер-
гии на выходе одного элемента в энергию другого вида для дальнейшей обра-
ботки и передачи. Основные виды энергии, используемые в элементах систем
управления и преобразователях:
- механическая,
- электрическая,
- электромагнитная волновая,
- пневматическая,
— ГИДпавлическая.
- оптическая,
- магнитная,
- акустическая.
Например, пневмо-электрические, пневмо-гидравлические, фото-электри-
ческие, электро-механические и др. преобразователи.
Усилители сигналов применяются для увеличения их уровня в основном
для следующих видов энергии:
- электрическая (при помощи полупроводниковых элементов),
96
- пневмогидравлическая (при помощи струйных, мембранных и золотни-
ковых устройств),
- механическая (при помощи различных передач - рычаги, зубчатые, чер-
вячные, ременные и пр. передачи).
Часто усиление сигналов по уровню производится в преобразователях вида
энергии.
Аипггл-гл-игикплаига nnanfinninanwianti (ДТТПЛ nnAnutnn-iupnLt ппа nnpnfinfnA-
ZXZVXZ-f yx * * \ / XXjJ 4//J,XXtX^XXXVX ХЧ/ХХХХХ IXpfVWjJU^V
вания определенного уровня аналогового (непрерывного) электрического сигна-
ла в цифровой сигнал (двоичный, восьмеричный, шестнадцатеричный). Преобра-
зование осуществляется электронными устройствами - АЦП, работающими с
использованием принципа квантования (дискретизации) по времени. Определе-
ние величины сигнала осуществляется одним из следующих алгоритмов:
- с параллельным (прямым) преобразованием,
- с последовательным приближением,
- с балансировкой заряда (дельта - сигма),
- с интегрированием входного сигнала.
Устройства, реализующие эти алгоритмы преобразования, имеют опреде-
ленные преимущества и недостатки, которые и определяют их применение для
определенных условий, требований (быстродействие, разрядность, аппаратные
затраты).
В современных элементах систем управления, входные преобразователи
могут быть интегрированы в другие устройства, так, например, датчики с циф-
ровым выходом или микропроцессоры с аналого-цифровым входом.
Выпускаемые промышленные устройства ввода содержат различные вхо-
ды: аналоговые и дискретные. Аналоговые входы предназначены для подсо-
единения датчиков или других внешних устройств с аналоговым сигналом на
выходе в виде сопротивления (0...5000 Ом), напряжения (0...1 В, 0...10 В) или
тока (0...5 mA, 0(4)...20 mA) - это термосопротивления, термопары и другие
устройства с унифицированными сигналами. Дискретные входы предназначены
для подключения контактных датчиков («сухой» контакт) или транзисторных
ключей - это контакты кнопок, реле, выключателей, герконов и т. п., а также
датчиков, имеющих на выходе транзисторный ключ п - р - п или р - п - р типа
(индуктивные, фотодатчики и т. п.). Связь устройств ввода с управляющим
устройством (микропроцессором) может осуществляться либо непосредственно
чепез попт. либо по сети с использованием интепЖейсов связи RS-48-5; либо по
модемной беспроводной связи.
Кроме того, входные и выходные преобразователи могут объединяться в
одно устройство ввода - вывода, которое соединяется с управляющим устрой-
ством (микропроцессором) и обеспечивает согласование сигналов между ним и
внешними входными (датчики, конечные выключатели, кнопки и т. д.) и вы-
ходными (реле, двигатели, пускатели, клапаны и т. д.) устройствами.
97
6.4. Управляющие системы и устройства
Управляющие устройства являются основным элементом систем управле-
ния. Они предназначены для обработки сигналов, поступающих от датчиков,
хранения информации и выработке управляющих сигналов на исполнительные
механизмы объекта в соответствии с законом управления, который определяет-
Основным элементом современных управляющих устройств является про-
цессор. Это обрабатывающее устройство, служащее для выполнения арифмети-
ческих и логических операций с данными, для организации обращения к внеш-
ним устройствам, и для управления ходом вычислительного процесса. В насто-
ящее время существует большое число разновидностей микропроцессоров, раз-
личающихся назначением, функциональными возможностями, структурой, ис-
полнением. Чаще всего наиболее существенным классификационным различи-
ем между ними является количество разрядов в обрабатываемой информацион-
ной единице: 8-битные, 16-битные, 32-битные, а также частота тактовых им-
пульсов, определяющая объемы перерабатываемой информации в единицу
времени.
Современные процессоры выполняются в виде микропроцессоров. Физи-
чески микропроцессор представляет собой интегральную схему - тонкую пла-
стинку кристаллического кремния прямоугольной формы площадью всего не-
сколько квадратных миллиметров, на которой размещены элементы и схемы,
реализующие все функции процессора.
Микропроцессор - это микроэлектронное программируемое устройство,
предназначенное для логической и арифметической обработки информации и
< rrarrrrrt 1ГГ ГЧППЛГГ Г1ГтД\ЛМ»*П¥¥11а»Г ТТ/ЧГГ/Ч ГГТТТЖПГЛ ГГТ ГГГ та Ч
iipuj-i^waxvin. wivitna лип jvipwnviDa
(оперативная память, постоянное запоминающее устройство, порты ввода - вы-
вода и т. п.), являются для него внешними, совместно с которыми создается мик-
ропроцессорная система (компьютер).
Микроконтроллер - это однокристальная микро-ЭВМ (англ.: controller -
регулятор, управляющее устройство), в ней микропроцессор и все дополнитель-
ные устройства (ОЗУ, ПЗУ, порты и т. п.) расположены внутри одной микросхе-
мы, которая представляет собой программируемое устройство, предназначенное
для использования в системах передачи данных и автоматизированных системах
управления технологическими процессами.
Микроконтроллеры объединяются в семейства. К одному семейству отно-
сят изделия, имеющие одинаковое ядро - совокупность таких понятий, как си-
стема команд, циклограмма работы центрального процессора (ЦП), организа-
ция памяти программ и памяти данных, система прерываний и базовый набор
периферийных устройств. Отличия между различными представителями одного
семейства заключаются в основном в составе периферийных устройств и объе-
ме памяти программ или данных. Наиболее важная особенность семейства -
программная совместимость на уровне двоичного кода всех входящих него
микроконтроллеров.
98
В настоящее время в мире выпускается несколько сотен различных мик-
ропроцессоров. Наиболее известными являются:
MCS-51 (Intel).
Intel 8051 - это однокристальный микроконтроллер гарвардской архитек-
туры, который был впервые произведен Intel в 1980 году, для использования
во встраиваемых системах. Официальное название 8051 - семейства микро-
контроллеров Intel - MCS-51.
Основными производителями модификаций 51-го семейства в мире яв-
ляются фирмы Philips, Siemens, Intel, Atmel, Dallas, Temic, Oki, AMD, MHS,
Winbond, Silicon Systems и ряд других.
PIC (Microchip).
PIC - микроконтроллеры гарвардской архитектуры, производимые аме-
риканской компанией Microchip Technology Inc. Название PIC является со-
кращением от Peripheral Interface Controller, что означает «периферийный ин-
терфейсный контроллер».
R nrwnnv 1ГПЫГГРПГГЫЫ PTC prruwvm ПП« UPPY RUrnVPiraPMUrY РРМРЫРТП пыпя
WiXVb/J Л. у J IMJlllJ Vi.VV*V4.U Х/Л/ Ж
положена RISC-архитектура (Reduced Instruction Set Computer - архитектура с
сокращенным набором команд) с системой простых однословных команд,
применение встроенной памяти программ и данных и малое энергопотребле-
ние.
В номенклатуре Microchip Technology Inc. представлен широкий спектр
8-и, 16-и и 32-битных микроконтроллеров и цифровых сигнальных контролле-
ров под маркой PIC, насчитывающая более 500 различных контроллеров со
всевозможными вариациями периферии, памяти, количеством выводов, про-
изводительностью, диапазонами питания и температуры и т. д. Контроллеры
PIC производились специально для автомобильной промышленности и отли-
чаются высокой надежностью. На базе их строятся специализированые
устройства для контроля, измерения и управления.
AVR (Atmel).
Концепция новых скоростных микроконтроллеров была разработана
группой разработчиков исследовательского центра ATMEL в Норвегии. AVR-
архитектура, на основе которой построены микроконтроллеры семейства
AT90S, объединяет мощный гарвардский RISC-процессор с раздельным до-
ступом к памяти программ и данных, 32 регистра общего назначения, каждый
из которых может работать как регистр-аккумулятор, и развитую систему ко-
манд фиксированной 16-битной длины. Большинство команд выполняются за
один машинный такт с одновременным исполнением текущей и выборкой
следующей команды, что обеспечивает очень высокую производительность.
ARM (ARM Limited).
Архитектура ARM (Advanced RISC Machine, Acorn RISC Machine, усо-
вершенствованная RISC-машина) - семейство лицензируемых 32-битных и
64-битных микропроцессорных ядер разработки компании ARM Limited. Дан-
ные процессоры имеют низкое энергопотребление, поэтому находят широкое
99
применение во встраиваемых системах и доминируют на рынке мобильных
устройств, для которых важно низкое энергопотребление.
На базе микроконтроллеров выпускаются следующие основные специа-
лизированные управляющие системы для решения задач автоматизации тех-
нологических процессов.
• Микропроцессорные измерители-регуляторы.
• Программируемые логические контроллеры.
• Устройства числового программного управления.
• Специализированные управляющие контроллеры.
Измерители-регуляторы предназначены для осуществления контроля
технологических параметров процесса при помощи соответствующих датчи-
ков и передачи данных на верхний уровень для обработки и хранения. Кроме
того эти устройства могут выполнять функции регулирования технологиче-
ских параметров.
Функциональная схема измерителя-регулятора представлена на рисунке 77.
ТТотдегтаиа nauuLiv
Л Ivpv/^UTU /4М1
интерфейс RS 232,485
Управление
исполнительными
механизмами
------------►
Рисунок 77 - Функциональная схема измерителя-регулятора
Обобщенные функциональные возможности данных устройств:
- универсальные входы для подключения нескольких различных датчиков
температуры, давления, влажности и др. с выходными сигналами сопротивле-
ния, тока, напряжения,
- обработка сигналов, поступающих от датчиков, регистрация и индикация
величин, измеряемых технологических параметров и их производных,
- передача данных на верхний уровень (компьютер) с использованием ин-
терфейсов RS-232, RS-485,
- формирование и выдача сигналов для регулирования (управления) пара-
метров технологического процесса с помощью специального оборудования
(нагревателей, клапанов, вентилей, задвижек), которое осуществляется по по-
зиционному или ПИД алгоритму.
100
Программируемые логические контроллеры (ПЛК; англ.: Programmable
Logic Controller или PLC) - это специализированная программируемая микро-
процессорная система, которая используется для автоматизации работы про-
мышленного оборудования и технологических процессов. ПЛК позволяют
управлять объектами комбинированного типа (см. раздел 2.1), которые имеют в
составе дискретные и аналоговые исполнительные механизмы, при этом обес-
примпаа п<л(\гугкг пл лппрпрприплш/ rruvnv лпплопАМриш.ш пагх/_
Л&Ч/ yuwij
лированием технологических параметров.
Функциональные возможности ПЛК:
- возможность подключения на вход дискретных сигналов от соответ-
ствующих устройств типа: «сухой контакт», кнопки, переключатели, конечные
выключатели и пр.,
- возможность подключения на вход аналогового (ток, напряжение) сигна-
ла от устройств измерения или контроля. Для этого устройство содержит спе-
циальные входы с АЦП,
- возможность подключения на вход цифровых сигналов, от внешних
устройств,
- возможность подключения импульсного частотного сигнала,
- обработка входных сигналов с выполнением логических и арифметиче-
ских операций, счета, выдержки интервалов времени, формирование выходных
сигналов в соответствии с программой, отражающей цикл работы автоматизи-
руемого оборудования,
- возможность подключения и управления дискретными устройствами типа
«включение - выключение» реле, двигателей, клапанов, электромагнитов, и т. п.,
- возможность подключения и управления устройствами с применением
1 ПУЛА Л ЛУШУт плп /ггтятт ♦лапу rrrrr«A/\nn»irra)
I У11У1 VH1 полис
- подключение и управление шаговыми двигателями,
- возможность формирования на выходе аналоговых сигналов, для управ-
ления аналоговыми устройствами по току или напряжению,
- интерфейсы Ethernet, RS-232, RS-485, USB 2.0.
На рисунке 78 показана функциональная схема ПЛК с примерами входных
и выходных устройств.
В настоящее время представлено множество ПЛК, основное отличие кото-
рых состоит в функциональных возможностях (количество и типы входов -
выходов, вычислительные возможности, производительность) и стоимости от-
дельных конструкций. Выбор ПЛК необходимо осуществлять на основе и в со-
ответствии с конкретной задачей управления, так как любые дополнительные
функции отражаются на цене устройства.
ПЛК являются одними из лучших управляющих устройств для построения
автоматизированных систем управления технологическими процессами.
101
входные устойства: датчики, конечные выключатели,
контролирующие состояние исполнительных механизмов
и параметров технологического процесса
а ’*
связь с компьютером
।—» USB2.0, Ethernet,
RS-232, RS-485
выходные устойства: приводы исполнительных механизмов
Рисунок 78 - Функциональная схема ПЛК
«г ютрс/иютои чиишси/би iipucpujnjnnucu yiij/uojicnmi прпмиплги! VM llpn aDIU-
матизации технологических процессов, предусматривающих сложные траекто-
рии перемещения, в обрабатывающих станках, промышленных роботах и т. п.
Современные системы ЧПУ постоянно совершенствуются в направлении со-
здания новых алгоритмов осуществления отдельных функций, а также расши-
рения их возможностей с целью обеспечения максимальной точности и произ-
водительности оборудования (рис. 79).
Исходя из технологических задач управления обработкой, все системы
ЧПУ делят на три группы: позиционные, контурные и комбинированные.
Позиционные системы ЧПУ обеспечивают управление перемещениями ра-
бочих органов станка в соответствии с командами, определяющими позиции,
заданные программой управления. При этом перемещения вдоль различных
осей координат могут выполняться одновременно (при заданной постоянной
скорости) или последовательно. Данными системами оснащают в основном
сверлильные и расточные станки для обработки деталей типа плит, фланцев,
крышек и др., в которых производится сверление, зенкерование, растачивание
отверстий, нарезание резьбы и др.
102
Рисунок 79 - Общий вид системы ЧПУ
Контурные системы ЧПУ обеспечивают управление перемещениями ра-
бочих органов станка по траектории и с контурной скоростью, заданными про-
граммой управления. Контурной скоростью является результирующая скорость
подачи рабочего органа станка, направление которой совпадает с направлением
касательной в каждой точке заданного контура обработки. Контурные системы
UTTX7 гъ хчнпггтгжтжгл лнп tv »гагг*ла*лт тпттла t ггг*лпп ггагттга гтала
'HU В UlJinnilU U1 нидицииппыл UVUVllViriDaBJl nVIlpUpDIDnUV у Правлении Пере-
мещениями инструмента или заготовки поочередно или сразу по нескольким
координатам, в результате чего может обеспечиваться обработка очень слож-
ных деталей (с управлением одновременно по двум и более координатам). Кон-
турными системами ЧПУ оснащены в основном токарные и фрезерные станки.
Комбинированные системы ЧПУ, сочетающие функции позиционных и кон-
турных систем ЧПУ, являются наиболее сложными, но и более универсальными.
В связи с усложнением станков с ЧПУ (особенно многооперационных), расши-
рением их технологических возможностей и повышением степени автоматиза-
ции применение комбинированных систем ЧПУ значительно расширяется.
Мировыми лидерами в производстве систем ЧПУ являются фирмы FANUC
и SIEMENS, этими системами оснащено подавляющее число оборудования.
Фирма FANUC выпускает серию своих систем ЧПУ (Series30i/31i/32i),
управляющих 10 каналами, 32 осями и 8 шпинделями. Максимальное количе-
ство интерполируемых осей - 24. Интерес представляют заложенные функции
искусственного интеллекта.
Фирма SIEMENS представляет модификации своей флагманской системы
SINUMERIK 840D/DI, отличающейся сплайн-интерполяцией, компрессией
кадров, расширением открытой архитектуры.
103
Российские производители систем ЧПУ заметно отстают от мирового
уровня, хотя стремление догнать явно выражено, и здесь важным является во-
прос правильности выбора архитектурной концепции. Неформальным лидером
считается «Балт-Систем», но в регионах он уступает своим конкурентам «Мод-
маш-Софт», «Микрос» и «ИжПРЭСТ».
Специализированные управляющие контроллеры применяются для
VnnClDnPUnura ПППАПРПРППтШ Т7*УГХПППГ'ТЛГ11АГ'1ГТЛГК4ТЛГ ПППТТРГ'Г'ЯКЛТ.Т
ГГЮГА1ПТТТТЯГМГГ ЛПРТТГГ-
ХЛЛТЛЧ/ЛЧГ J-Ц! Х1ТЛХ* ч/ллч/л-^хл
фические внешние устройства и алгоритмы, которые реализованы в системных
программах контроллеров.
Примером подобных устройств может служить специализированный кон-
троллер температуры МЕТАКОН-6305, предназначенный для автоматизации
термической обработки материалов с заданными процессами разогрева вы-
держки и охлаждения. МЕТАКОН-6305 относится к разряду конфигурируемых
контроллеров, выпускаемых научно-производственной фирмой «КонтрАвт».
Эти контроллеры не требуют программирования - все функции и необходимые
параметры и характеристики задаются с помощью настройки (конфигурирова-
ния).
Еще одним примером являются контроллеры систем отопления и ГВС
ТРМ132М фирмы ОВЕН, предназначенные для контроля и регулирования тем-
пературы в контурах отопления и ГВС, отображения измеренной температуры
и режимов работы на встроенном индикаторе и формирования сигналов управ-
ления запорно-регулирующим клапаном, основным и резервным насосами,
насосом подпитки, устройствами сигнализации. Эти приборы также не требуют
программирования законов управления, необходимо только задание параметров
внешнего оборудования и технологической системы.
Т/'ллка «аплл* tv 1 rrr*\nnnrrrmTTTTiv т глнпмлтгnmn Tra/\^v/\rrTTi*/\ липка
ivpuiviu pawwivipcnnwA уирасллгищил uvuuu пииилиднми uiiviv-
тить устройства, программируемые во времени. Их особенность заключается в
возможности автоматизировать сложные технологические процессы, выполня-
емые по определенному циклу. При этом оборудование может содержать не-
сколько исполнительных механизмов аналогового типа (нагреватели, нагнета-
тели потока, увлажнители и пр.) и дискретного (клапаны, заслонки и пр.). Их
работа в технологическом процессе взаимосвязана и осуществляется в виде по-
следовательности шагов, в каждом из которых задается определенное состоя-
ние аналоговых и дискретных исполнительных механизмов. Переход от одного
шага к другому осуществляется по определенному времени и/или состоянию
отдельных исполнительных механизмов.
Примерами таких устройств являются регуляторы DICON (Германия,
фирма JUMO) и МПР51 (Россия, фирма ОВЕН). Общий вид регулятора показан
на рисунке 80.
Регулятор содержит два ПИД регулятора и 4 компаратора для регулирова-
ния процессов. На вход могут быть подсоединены до 5 датчиков аналогового
типа. Выход на исполнительные устройства выполнен в виде 5 реле и 8 транзи-
сторных ключей. Регулятор изначально предназначался для регулирования
температурно-влажностных режимов технологических процессов по програм-
ме, состоящей из последовательности шагов, в каждом из которых могут быть
104
заданы уставки и скорость регулируемых параметров, включение выключение
отдельных дискретных исполнительных механизмов, продолжительность шага
и др. Устройство может хранить от 5 до 60 различных программ.
Рисунок 80 - Программируемый регулятор МПР51
Таким образом, при создании АСУ ТП производится выбор оптимальной
управляющей системы, исходя из конкретных технологических задач.
6.5. Выходные преобразователи
Выходные преобразователи являются промежуточным звеном между
управляющим устройством и приводами исполнительных механизмов, предна-
ПГТПГТаГГГ Т ПГГГГТ ЛЛГ'ППЛ/ЛПП ТТТЖГГ 1 rrrWnnnrrmm'TrV nTrrTTnrrrvn W «АЛТЛ ггч г тттхшлтг т» г» г »ггл rrr»r»wzxnr
dnantnoi длл vui JiavuDanwi уираоллтищпл vninajivD nmvin п сыпилплги!
следующие основные функции:
- усиление (по величине энергии), для увеличения сигнала до стандартно-
го значения,
- преобразование вида энергии, для формирования управляющего сигнала
другого вида энергии, например, электрического напряжения в давление сжато-
го воздуха,
- цифро-аналоговое преобразование, для формирования аналогового сиг-
нала, соответствующего значению цифрового, т. е. преобразование двоичного
сигнала в напряжение,
- гальваническая развязка применяется для защиты управляющего устрой-
ства от обратных токов, возникающих при работе двигателей исполнительных
механизмов или наводок в цепях управления.
Элементы и процесс преобразования дискретного сигнала от управляюще-
го устройства на двигатель исполнительного механизма можно (как вариант)
представить следующим образом: выходной сигнал с управляющего устройства
подается на транзисторные ключи, затем сигнал через гальваническую развязку
поступает на реле, которое своими контактами включает двигатель.
Преобразование аналогового сигнала (как вариант) может осуществляться
следующим образом: цифровой сигнал с выхода управляющего устройства пода-
105
ется на цифро-аналоговый преобразователь, на выходе которого формируется
определенный уровень напряжения, которое усиливается электронным усилите-
лем и через гальваническую развязку поступает на двигатель постоянного тока.
Для реализации указанных функций выходных преобразователей можно
использовать отдельные элементы, выпускаемые промышленностью, либо по-
добрать готовые специализированные устройства, реализующие необходимые и
nnnvnnairiMA ппАА^пачАпаипа ппа imuvnprunii г'ыг'тахлг.т иппиоприиа АПААПАПАи.
ными управляющими устройствами и исполнительными механизмами. Кроме
того, в настоящее время часть функций выходного преобразования реализуется
во многих управляющих устройствах. Так, например, рассмотренный выше ре-
гулятор МПР51 имеет на выходе достаточно мощные реле (220 В, 4 А), позво-
ляющие управлять нагревательными элементами с помощью ШИМ сигнала.
В качестве примеров специализированных устройств можно отметить вы-
пускаемые фирмой ОВЕН следующие устройства:
- блок коммутации БКМ-1, преобразующий сигналы от транзисторных
ключей в сигналы на выходе реле,
- блок управления симисторами и тиристорами БУ СТ, позволяющий пре-
образовать стандартные аналоговые управляющие сигналы в управляющие
сигналы, подаваемые на симисторы или тиристоры, для работы с активной
нагрузкой (ТЭНами),
- блок управления симисторами и тиристорами БУСТ-2, позволяющий ра-
ботать с трехфазной активной нагрузкой: нагревательными элементами, инфра-
красными лампами, трансформаторами, двигателями и др.
Таким образом, основная задача выбора выходных преобразователей за-
ключается в согласовании выходного сигнала управляющего устройства и при-
плттл гглгглгггтгг'Т'а'пгт г» пплгллтАа пг\л rrArrAHnnTr/T гтапл
вида iivnujinnivjinnvi v MtAannjivia, a lanynu vnuvuua Du^tnviDfui па ntiu.
6.6. Приводы исполнительных механизмов
Приводы являются силовым элементом, преобразующим энергию в меха-
ническую или тепловую, и предназначены для обеспечения перемещения или
изменения состояния исполнительных механизмов, воздействующих на объект
управления. Для питания приводов используют в основном энергию электриче-
ства или давления газа или жидкости. Приводы исполнительных механизмов,
как правило, состоят из двигателя и передаточных элементов.
Двигатели как энергетические устройства для систем автоматического
управления можно разделить на следующие виды:
- электроприводные, для получения момента и вращательного движения,
- магнитные, для получения силы и поступательного перемещения,
- пневмогидравлические, для получения силы и поступательного движения,
- тепловые, для нагрева объектов.
Наибольшее распространение получили электроприводы различных типов.
Это двигатели постоянного тока, переменного тока, асинхронные, синхронные,
шаговые и электромагниты. Каждый из них имеет определенные преимущества
в определенных условиях.
106
Универсальные электродвигатели могут работать на переменном и посто-
янном токе. Широко используются в ручном электроинструменте и в некото-
рых бытовых приборах (в пылесосах, стиральных машинах и др.). Получил
большое распространение благодаря небольшим размерам, относительно низ-
кой цены и легкости управления.
Коллекторные электродвигатели постоянного тока (с обмоткой возбуж-
прпиа ппАтпапиЕтии хдягиитахлы'! Hv ппм.шигпрг'тп'ши аопаитгра' пглг'пь’ый
^Ч/XXXXZX^ W 11VV1 V/lllllUllUXX XVXUX ХХХХ X VXIVXXXy* XX/1 xxpr WXXXTXJT ХЛ-^Ъ/Ч/ XXXVXXVXXX /XUJX/1XV 1 v/x. uuxwxxxxrx
пусковой момент, быстродействие, возможность плавного управления частотой
вращения, простота устройства и управления. Недостатком двигателя является
необходимость обслуживания коллекторно-щеточных узлов и ограниченный
срок службы из-за износа коллектора.
Асинхронные электродвигатели (однофазные, двухфазные, трехфазные).
Наиболее распространенный электродвигатель в промышленности. Достоин-
ствами электродвигателя являются: простота конструкции, надежность, низкая
себестоимость, высокий срок службы, высокий пусковой момент и перегрузоч-
ная способность. Недостатком асинхронного электродвигателя является слож-
ность регулирования частоты вращения.
Синхронные электродвигатели (с обмоткой возбуждения, с постоянными
магнитами, реактивный, гистерезисный, шаговый). Синхронные двигатели
обычно используются в задачах, где требуется точное управление скоростью
вращения, либо где требуется максимальное значение таких параметров, как
мощность/объем, КПД и др. Так, шаговые двигатели имеют возможность обес-
печения заданной величины и скорости перемещения (вращения), определяю-
щиеся количеством и частотой подаваемых импульсов тока.
Таким образом, для решения конкретной задачи управления необходимо
пт гтлтг^лггаа лгтпптгхтл пгт гтт ттт пплттлттпг' тт»\тг гчпгхчх л 1 гтттжпгт тпл алг/чгг л гтапгт гтлттттта гтл
выираю nanuujitt ишпмалошяп варпаш, ырп л им у nnioiDati vm на-
раметры: мощность, момент, номинальная частота вращения, коэффициент по-
лезного действия, номинальное напряжение, момент инерции ротора, механи-
ческие характеристики и стоимость.
Магнитные устройства преобразуют магнитную энергию в силу, передава-
емую на исполнительные механизмы, и подразделяются на два типа: с постоян-
ными магнитами и электромагнитные.
Электромагнитные приводы могут использоваться только в двухпозицион-
ных схемах управления, то есть они обеспечивают только два положения. Рабо-
тают на переменном и постоянном токе. Электромагниты на постоянном токе
J(a) развивают большие тяговые усилия F(h).
Схема электромагнитного привода показана на рисунке 81. Электромагнит
состоит из катушки, помещенной внутрь магнитопровода, якоря и стопа. Зазор z
между якорем и стопом является ходом привода. При постоянном токе, подава-
емом на катушку, усилие F(h), развиваемое приводом, существенно зависит от
зазора z, как показано на рисунке 81. Поэтому целесообразно при управлении
приводом использовать большое напряжение при включении его и малое при
удержании в притянутом положении якоря. Ход привода не превышает не-
скольких миллиметров.
107
Рисунок 81 - Электромагнитный привод
Электромагниты используются для управления различными клапанами,
вентилями, задвижками.
Постоянные магниты не требуют подвода питающей энергии и могут быть
использованы для удержания деталей из ферромагнитных материалов на по-
верхности других подвижных элементов.
Далее приводы могут быть пневматические или гидравлические, с исполь-
зованием энергии сжатой среды, соответственно газа или жидкости. Эти приво-
ды предназначены для преобразования давления рх (Па) в силу Ру(н) или рас-
хода Qx (м3/с) среды в скорость Vy (м/с) рабочего органа. Пневматические при-
воды в основном применяются в виде пневмоцилиндров и мембранных приво-
дов, схемы которых показаны на рисунке 82.
Рисунок 82 - Пневмоцилиндр и мембранный привод
Пневмоцилиндры имеют поршень со штоком, помещенные в цилиндр.
Давление р (Па), подводимое к пневмоцилиндру, преобразуется в силу F (н) на
штоке и определяется зависимостью
F = р х S х ц,
где S - эффективная площадь поршня (м2),
ц - КПД, составляющий 0,95-0,98.
Пневмоцилиндры обеспечивают относительно высокие скорости и вели-
чины поступательного перемещения.
Мембранные приводы имеют мембрану с жесткими центрами и штоком и
предназначены в основном для создания значительных усилий. Обычно давле-
108
ние питания пневмоцилиндров и мембранных приводов находится в диапазоне
0,4-0,6 мПа.
Гидроцилиндры используют энергию давления жидкости. Конструктивно
они похожи на пневмоцилиндры. Для питания гидроцилиндров используются
относительно высокие значения давления (4-10 мПа), что обеспечивает отно-
сительно большие развиваемые усилия при небольших диаметрах цилиндров.
ТГпЛХЛА ТАГА ПААМГИМ!)АХЛЛГ'ТГ. MZIJT ПЕААТП ПАЧОАПОАТ AflAAnAUT.tTL АТИААПТАПГ.ИА DLT-
AV|ZVXTIV>’ XVI V, XX V* Ч/УХ\ГХЛТХ VXWXVX W X L* ZX\XX/_^XVV7 V X XX W4/WXXW ХХХХХЛ V1X1WIX1 VJXUXXV XX XXX
сокую точность позиционирования гидроцилиндров в промежуточных точках
хода и его плавность.
Кроме того, для температурных процессов исполнительные устройства
могут использовать тепловые устройства в виде различных теплоэлектро-
нагревательных элементов (ТЭНов). ТЭНы выпускаются в виде спиралей из
сплавов с высоким удельным сопротивлением, например, никеля с хромом
(нихром), а также из железохромалюминиевых сплавов (фехраль). Спирали
помещают в трубки различной формы и размеров для формирования более
равномерных полей нагрева. Используют для нагрева газообразных, жидких и
твердых объектов.
Для обеспечения необходимых величин, траекторий и скоростей переме-
щений исполнительных механизмов приводы содержат передаточные устрой-
ства, которые состоят из отдельных элементов, обеспечивающих необходи-
мую функцию преобразования движения.
Классификация элементов передаточных устройств представлена на ри-
сунке 83. Так передаточные элементы обеспечивают функциональное преоб-
разование силы или перемещения, изменяя их величины. Характерным пара-
метром этих элементов является передаточное отношение i. Так, например,
мттгтлг' ттгъ nv/irra гг'лггтлпгл пг тппа<гп/т аггпл тт*чтг лнп/м* ггп nrrv/\na Л,
ршпах, па влидс пргхлхладыва^^л vrxjxa : л, ххргх jxvivx па ввхлидс tpupivxrxp^ и х v л vn-
ла Fy = Fx х i. Конструкции передаточных элементов, представленных в диа-
грамме (рис. 83), рассматриваются в специальной литературе.
Упругие элементы преобразуют силу в перемещение или, наоборот, в со-
ответствии с законом упругости:
Fy = Sx х с,
где Fy - сила, формируемая упругим элементом при его деформации (пере-
мещении) Sx при определенной его жесткости с.
Жесткость с является характерным параметром упругого элемента. Виды
упругих элементов представлены в диаграмме (рис. 83).
Направляющие и опоры предназначены для обеспечения заданной траек-
тории перемещения. Этот различные подшипники, шаровые опоры, направля-
ющие движения. Направляющие и опоры в широком ассортименте выпускают-
ся промышленностью.
Проектирование передаточных механизмов осуществляется на основе не-
обходимых законов движения исполнительных механизмов.
109
Элементы передаточных устройств
ЯЦЯЙНЯ!
элементы
— рычажные
— винтовые
— червячные
— фрикционные
- прерывистые
- зубчатые
— с гибкими
элементами
кулачковые
— винтовые
— спиральные
— плоские
— стержневые
_ тарельчатые
ИЦННЙ9
и опоры_
— скольжения
— качения
— газожидкостные
— упругие
Рисунок 83 - Элементы передаточных устройств
6.7. Исполнительные механизмы
Исполнительные механизмы - это рабочие органы, предназначенные для
непосредственного воздействия на объект управления с целью изменения его
состояния в соответствии с законом управления, который обеспечивает задан-
л ггл nrrTTrHnarr» та w lavaTTirr»» т гтма ттапгап пггтлпп /чхч
ПРШ lUA.riUJIUli'I’IWIVnri llpuu,uw. ZAVllUJinill VJlDnDlV мслапиэмы VU“
бой большое многообразие различных устройств, конструкции которых зависят
от характера объекта управления и от осуществляемого им процесса. По сути,
они являются частью объекта управления и проектируются индивидуально
совместно с ним, при этом они осуществляют непосредственное изменение
определенного параметра процесса.
Примеры исполнительных механизмов.
1. Металлообрабатывающие станки имеют следующие основные исполни-
тельные механизмы. Во-первых, шпиндель, обеспечивающий главное враща-
тельное движение процесса обработки детали, выполненный в виде полого вала
на подшипниках и получающий вращение от двигателя и ременной передачи.
Во-вторых, суппорты, обеспечивающие движения подачи по различным коор-
динатам, представляющие собой столы, установленные на направляющих и по-
лучающие поступательное перемещение от двигателя и шариковинтовой пере-
дачи.
2. Камера для газотермической обработки деталей в качестве исполнитель-
ных механизмов имеет камеру для размещения и нагрева деталей, вентиль для
подачи газа, заслонку для вентиляции камеры, вентилятор для перемешивания
среды в камере.
ио
3. Самолет для управления высотой полета использует т. н. элероны или
закрылки, это подвижная часть крыла, изменяющая его геометрию и подъем-
ную силу.
4. В промышленном роботе в качестве исполнительных механизмов для
осуществления отдельных движений используются звенья в виде стержневых
конструкций, поворачивающихся вокруг оси. Для захвата детали используется,
поппимап Лол rmon'urua nnunnnmitiA п поимгаппа г'глг'тахдлй пчи^гло лт ппаомл.
ХХЪХХХ^/ХХХТХЧ/^/^ l/UH KZ», ХХ^/ХХХЛЧ/^ХХХТАХЛХЧ/ X* /ЦХЛХХУХЧЧ/ХХХХЧ/ Ч/ХХЧ/ X 4/XVXVFXX р^их XUX VL> VX хжххч/хлхтхч/
привода.
В приведенных примерах показана связь исполнительных механизмов с
передаточными устройствами и приводами как отдельными элементами систем
управления.
Таким образом, исполнительные механизмы, их конструкции непосред-
ственно зависят от тех параметров, которые они обеспечивают в процессе
управления объектом.
Контрольные вопросы к главе 6
1. Элементы систем автоматического управления (САУ).
2. Датчики по виду контролируемого параметра.
3. Датчики по виду выходного сигнала и чувствительного элемента.
4. Назначение и виды входных преобразователей.
5. Назначение и виды управляющих устройств.
6. Назначение и виды входных преобразователей.
7. Приводы исполнительных механизмов.
in
Глава 7. РАЗРАБОТКА АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ СИСТЕМ
УПРАВЛЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ ПРОЦЕССАМИ (АСУ ТП)
АСУ ТП в настоящее время находят широкое распространение. Это связа-
но, во-первых, с возрастанием сложности современных технологий и повыше-
нием требований к точности управления, а также с необходимостью исключе-
П ТЯГ ОТ ТТРППОРГГСТ UQ ГТППТТРГ'Г'СТ ИАПЛРПАПРТПАииЛГП Х/иЛГ»Т¥ЯГа ¥> \/ПИС1ППАПТШ ТАУПППТТАР-
ХЧ/«1ХЧ/Х»Ч/ЖЧЧ» ЧХ^/Ч/Х^Ч/Ч/Ч/ЧХ XX4/XX4Z4/|_J4//J,4/ X ХХЧ/ХХХХЧ/Х Ч/ J ХЪХЧ/ХХХ/Х X» J ХХ£/1ХХ>«;ЛЧ/ХХГХХХ X Чг/ЧХХр^Ч/Х^Ч/Ч/
сом, так как в связи со сложностью последних резко возрастает неблагоприят-
ная роль так называемого «человеческого фактора». С другой стороны, АСУ
ТП становятся более доступными в связи с развитием современных средств
управления: датчиков, микропроцессорных устройств и т. п.
Примерами таких техпроцессов являются процессы термической обработ-
ки деталей, сушки пиломатериалов, изготовления строительных кирпичей, при-
готовления кондитерских изделий, выпечки хлеба, варки пива, пастеризации
продуктов и многие другие процессы, осуществляемые при переменных техно-
логических параметрах в течение времени.
Рассмотрим организацию АСУ ТП на обобщенной схеме, представленной
на рисунке 84.
Рисунок 84 - Схема автоматизированной системы управления
технологическим процессом (АСУ ТП)
АСУ ТП предназначена для управления определенным оборудованием
(объектом управления), которое осуществляет заданный технологический про-
цесс для получения определенного объекта производства (продукта, изделия).
Для этого оборудование оснащается комплектом необходимых исполнительных
112
механизмов, которые обеспечивают технологические параметры обработки.
Для контроля параметров технологического процесса на оборудовании уста-
навливаются датчики.
Реализация заданного технологического процесса осуществляется при по-
мощи устройства управления, которое работает в соответствии с программой
управления, сформированной на основе закона управления (технологического
пплпагго! Ппа ппачм иппаопашшАгл илтплйл'гпэ г> nfvLAirmiM ч/ппяппАиыа ы ллгп!>.
жжр'члжЖ'Ч/ч/ч^чжу• j ч/жжхж-^жж j ж жр^ч*и^жхжжчлл_1д,ч/ж ч/ j ч/ жр^ч/жжч/ жжжчж ч/ ч/ч/ ь»ч><жч ж ч/хтж j жжрлчжжжижч/жжжжхж ЖЖ Ч/Ч/Ж •'ЖЧЖ
сования сигналов от датчиков, система управления оснащается входными пре-
образователями, которые позволяют усиливать сигнал и от датчиков и преобра-
зовывать его в вид, необходимый для подачи на вход устройства управления.
Для управляющего воздействия на объект система содержит выходные преоб-
разователи, которые формируют сигнал необходимого вида и мощности для
приводов исполнительных механизмов объекта управления.
Для контроля за ходом технологического процесса сигналы системы
управления соответствующим образом обрабатываются и представляются на
дисплее. При необходимости данные могут архивироваться и использоваться
для анализа и совершенствования технологического процесса.
Разработка и создание современных АСУ ТП осуществляется по следую-
щей методике:
1. Изучение объекта производства, технических требований, содержащих
наиболее важные качественные характеристики объекта, его эксплуатационные
и др. параметры.
2. Разработка или выбор и подробное описание технологического процесса
обработки объекта производства как основы дальнейшей разработки АСУ ТП.
Составление закона (алгоритма) управления в соответствии с установленным
IVAMUJIVI mwivnivi llpVH^VWlVl.
3. Проектирование и выбор оборудования, исполнительных механизмов
для осуществления технологического процесса, исходя из требований выпол-
нения отдельных операций (камеры, клапаны, заслонки вентиляторы, ТЭНы,
суппорты, пневмоприводы, электродвигатели и т. д.) и используемые для них
приводы.
4. Выбор и/или проектирование аппаратной части АСУ ТП, которая вклю-
чает в себя:
а) датчики, обеспечивающие контроль хода технологического процесса,
измерение физических параметров (датчики температуры, давления, скорости,
перемещения, и т. д.),
б) управляющие устройства, обеспечивающие обработку информации от
датчиков, реализацию закона управления в соответствии с принятым техпро-
цессом и выработку необходимых управляющих сигналов на исполнительные
механизмы объекта управления (регуляторы, микропроцессорные устройства),
в) преобразователи сигналов, необходимые для согласования вида и вели-
чин сигналов от датчиков к управляющему устройству и от него к приводам
исполнительных механизмов (усилители, адаптеры, АЦП, ЦАП и пр.).
Кроме того, как правило, при организации АСУ ТП возникает необходи-
мость контроля хода техпроцесса и визуального отображения информации, а
из
также архивирования полученных данных. Эти данные могут быть использова-
ны для анализа с целью совершенствования техпроцесса (регистраторы, ком-
пьютер).
Выбор аппаратной части также осуществляется на основе требований к
выполнению отдельных операций и условий эксплуатации.
1. Разработка, изготовление и монтаж оборудования для осуществления
TPYnnnTTPr'r'Q ПАПАРИА ПГТПА1ШП WQ МАРТА АГП APVTTIAPTDnAUUa
I V/klljJVJ4VVVU^ ххч/хх к/ч/р/чг/цч/ X UVXX11V ххъ* nxvvxv VX V Ч/Ч/JT ХХХ,Ч/Ч/ XVJXVXXXX/X.
2. Разработка управляющих программ для устройства управления, обеспе-
чивающих реализацию заданного закона (алгоритма) управления в соответ-
ствии с техпроцессом.
3. Испытание работы АСУ ТП, наладка, настройка ее элементов.
4. Эксплуатация АСУ ТП, в процессе которой производится управление
процессом и выпуск заданной продукции. Кроме того, при организации архива-
ции данных о ходе техпроцесса, поступающих от датчиков технологических
параметров, возможно осуществление анализа и принятие мероприятий,
направленных на совершенствование техпроцесса с целью повышения качества
выпускаемой продукции.
Ниже рассматривается условный пример разработки АСУ ТП в соответ-
ствии с представленной методикой.
1. Объект производства.
Необходимо изготовить детали с особыми свойствами поверхности, кото-
рые обеспечиваются путем насыщения ее специальной газовой смесью при воз-
действии температуры.
2. Технологический процесс.
Для придания этих особых свойств предложен метод насыщения поверх-
ности детали молекулами, содержащимися в специальной газовой смеси при
определенном временном воздействии температуры. В результате проведенных
исследований разработан следующий технологический процесс, обеспечиваю-
щий необходимое качество поверхности деталей:
1. Изделие помещается в камеру с нормальной воздушной средой.
2. Нагрев с максимальной скоростью до температуры 60 °C.
3. Выдержка в течении 5 мин с периодическим (10 с/минуту) перемешива-
нием среды в камере.
4. В течение 1 минуты в камеру подается специальный газ при интен-
сивном перемешивании среды.
5. Осуществляется нагрев изделия до температуры 120 °C со скоростью
10 °С/мин.
6. Выдержка в течение 12 мин при температуре 120 °C без перемешива-
ния среды.
7. Удаление газа из камеры с охлаждением до температуры 40 °C.
8. Выдержка при температуре 40 °C в течение 4 мин.
9. Свободное охлаждение изделия в камере до температуры 25 °C.
10. Конец обработки и выгрузка изделия.
114
3. Проектирование, выбор оборудования.
На основе описания технологического процесса, представленного выше,
производится проектирование оборудования.
Проектирование производится с применением функционального анали-
за, который предусматривает составление перечня и анализ функций, опера-
ций необходимых для выполнения заданного технологического процесса,
АлПКХ/ПиПЛПаииА ТПАЙлООПШ! V П1.ТПЛТША1Ш1Л UQ ITUV ЛПАПОПиЙ 1Л П1Л_
бор исполнительных механизмов для их осуществления. Выбранные меха-
низмы и устройства объединяются в единый комплекс и создается требуемое
оборудование.
Функциональный анализ процесса
Функция, этап Функциональные требования Исполнительные механизмы, устройства
размещение деталей емкость камеры 30 деталей, вертикальная загрузка, температура до 150 °C, теплоизоляция стенок камеры металлическая цилиндриче- ская камера определенного размера с изоляцией стенок базальтовым волокном с верхней загрузкой деталей на поддоне
нагрев температура нагрева 0-200 °C мощность нагрева 2 кВт теплоэлектронагреватель (ТЭН) закрытого дискового исполнения
выдержка п -гч а> ж я а> т т т х Dpvivivnn диапазон временных интервалов от 0-10 мин с точностью до 1 с таймеры в управляющем х 7ЛТИЛТ1 г^'Г'П а> у V 1 pMKLV 1 О V
подача газа расход 2 л/с, избыточное давление в камере - 20 Па, подача от баллона давление 120 атм трубопроводы Ф10 мм, кла- пан электромагнитный с ре- дуктором давления
перемешивание производительность 2 л/с, скорость потока до 10 м/с электрический вентилятор в камере
d а птът п а тты а UV11 Л XXUXZXJ-lfK&ZX заслонка с электромагнитным приводом
В результате функционального анализа производится выбор исполнитель-
ных механизмов и разрабатывается общая схема оборудования для осуществ-
ления заданного процесса - газотермическая камера (см. рис. 85).
Оборудование представляет собой цилиндрическую камеру (5) с верхним
люком (6), внутри которой установлена сетчатая подставка для размещения де-
талей (7).
115
6
Рисунок 85 - Камера газотермической обработки
Для выполнения технологического процесса термокамера оснащена сле-
дующими исполнительными механизмами:
1 - Нагреватель закрытого типа дискового исполнения для нагрева дета-
лей. Регулирование температуры производится путем изменения скважности
(ширины) импульсов напряжения, подаваемого на ТЭН. Возможно регулирова-
ние изменением напряжения.
о о аттлптг пгггнп/ч*ч TYrrrr гтала» < агг»т гп п » г т г гг плтглгг I I
~ и^пшллivp длл п Dtnшллцни ivaivitpoi. iipn идписрс;-
менном включении вентилятора и открывании заслонки, установленной в отво-
дящем воздуховоде, производится вентиляция камеры.
3 - Клапан электромагнитный для подачи газа в камеру. Клапан оснащает-
ся редуктором давления для понижения его при подаче газа из баллона с высо-
ким давлением.
4 - Заслонка с электромагнитным приводом. Используется при вентиляции
камеры.
После разработки принципиальной схемы оборудования, в соответствии с
принятым технологическим процессом, составляется циклограмма его выпол-
нения (алгоритм, закон управления), которая является основой для разработки
управляющих программ, и представляет собой графическое отображение дей-
ствий (операций) отдельных исполнительных механизмов во времени (рис. 86).
Полученный график делится на отдельные шаги. Деление осуществляется
на отдельные промежутки времени, в течение которых действия, функции всех
исполнительных устройств не меняются (остаются постоянными). При измене-
нии какого-либо действия наступает следующий шаг. Примечание: для регуля-
торов время разогрева (охлаждения) и время выдержки при постоянной темпе-
ратуре можно отнести к одному шагу.
116
Рисунок 86 - Циклограмма работы технологического оборудования
(закон управления)
Кроме описания и циклограммы техпроцесса для организации АСУ ТП
устанавливаются требования по точности управления и дополнительные усло-
вия по его осуществлению, связанные, например, с необходимостью обеспече-
YYYYrT 1ПТТ1ГТГ YI
пил tuupa iinipvpiviaij,riii n. up.
4. Выбор аппаратных средств АСУ ТП.
Выбор датчиков.
Для сбора информации об управляемом техпроцессе, т. е. для измерения
его параметров производится выбор соответствующих датчиков.
Технологический параметр Технические требования Средства
Температура в камере Диапазон температур от 0 до 60 °C Погрешность измерения не более ± 0,2 °C Размещение вблизи деталей Датчик температуры ТСМ-50
Кроме того, иногда возникает необходимость контроля состояния испол-
нительных механизмов, для этого аналогичным образом выбираются соответ-
ствующие датчики, конечные выключатели.
В некоторых случаях возникает необходимость контроля дополнительных
папаметпов. наппимеп. в целях обеспечения безопасности ппопесса. Олнако.
-- J J L г? — —, -------------------- ----------- —J . _ I—» J
117
это является отдельной задачей, которая решается аналогичным образом как
процесс обеспечения безопасности.
Выбор управляющих устройств.
Выбор управляющих устройств осуществляется в зависимости от конкрет-
ной задачи и на основе требований, предъявляемых задачей управления.
Требования к управляющему устройству формулируются в соответствии с
основными и дополнительными функциями технологического процесса. Ос-
новными требованиями к управляющему устройству являются требования к
точности и скорости управления объемам перерабатываемой информации, ко-
личестве каналов управления (входов, выходов).
Для рассматриваемого примера требования могут быть представлены в
следующем виде:
1. Условия окружающей среды:
- температура...................................(+ 50) °C - (+ 30) °C
- влажность.........................................не более 90 %
— мощность эл. магнитного излучения..................Отсутствует
- вибрации, ускорения................................отсутствуют
2. Возможность непрерывного регулирования температуры..........да
3. Скорость изменения температуры в камере.......не более 10 °С/мин
4. Погрешность регулирования температуры.............не более ± 5 °C
5. Частота чтения показаний датчиков.............не реже 1 раза в 4 с
6. Возможность управления дискретными исполнительными механизмами,
последовательностью их включения..................................да
7. Возможность индикации значений технологических параметров...да
8. Объем постоянно хранимой информации о процессе, не более.20 МВ
С учетом вышеприведенных требований на основе анализа современных
средств по справочникам и каталогам можно предложить в качестве управля-
ющего устройства для рассматриваемого примера микропроцессорный регуля-
тор МПР51Щ4 фирмы «ОВЕН» (г. Москва), который удовлетворяет указанным
требованиям и обладает сравнительно невысокой стоимостью.
Выбор преобразователей.
После выбора управляющего устройства производится выбор преобразо-
вателей, обеспечивающих согласование сигналов от датчиков к управляющему
устройству и от него к исполнительным механизмам. Для этого необходимо
изучить (определить) параметры сигналов на выходах и входах сопрягаемых
устройств.
Для передачи сигналов от управляющего устройства на исполнительные
механизмы необходимо выбрать преобразователи, позволяющие усилить
управляющие сигналы до необходимой величины.
Выбор преобразователей удобно делать с помощью таблицы, содержащей
необходимые данные о входных и выходных сигналах.
118
Источник сигнала и его величина Приемник сигнала и его величина Преобразователи
Датчик температуры ТСМ-50 с выходом 40-60 Ом Регулятор МПР - 51 вход датчиков 40-60 Ом Не требуется
Регулятор МПР-51 выход регулятора 5 А, 220 В T^I-T 1 Л ЭЭП D 1x711 J LL\J kJ Т-1а> /Л'Т’Л'ГГ 11V ipwjrvivzi
МПР-51 транзисторный выход 50 mA 30 В на управление вентилятором Вентилятор 0,5 А 220 В Требуется усиление сигнала. Преобразователь БКМ (8 канальный) 1 канал
МПР-51 транзисторный выход 50 mA 30 В на управление заслонкой Электромагнит заслонки 0,5 А 220 В Преобразователь БКМ (8 канальный) 2 канал
МПР-51 транзисторный выход 50 mA 30 В на управление клапаном подачи газа Электромагнитный клапан 0,5 А 220 В Преобразователь БКМ (8 канальный) 3 канал
МПР-51 цифровой выход на компьютер (RS-232) Компьютер, последовательный порт COM2 Адаптер сети АС-2
После проведения данного этапа производится составление перечня необ-
ходимого оборудования, приборов и материалов для создания АСУ ТП, кото-
рый оформляется в виде таблицы по следующей форме:
№ п\п Оборудование, приборы, материалы Характеристика Тип, марка Колич. Сумма
После выполнения предыдущих пабот И окончательного согласования па-
раметров элементов разрабатывается окончательная схема АСУ ТП. Схема
АСУ ТП по рассматриваемому примеру показана на рисунке 87.
Объектом управления является газотермическая камера, которая для осу-
ществления заданного технологического процесса содержит необходимые ана-
логовые (нагреватель ТЭН), и дискретные исполнительные механизмы (клапан,
вентилятор, заслонка).
119
Рисунок 87 - Схема АСУ ТП для процесса
газотермической обработки деталей
В качестве управляющего устройства использован программируемый ре-
гулятор МПР-51, содержащий необходимые блоки для управления по заданно-
му закону. Входные устройства, предназначенные для приема сигналов от дат-
чиков. Регуляторы (Rl, R2) для непрерывного регулирования температуры в
камере. Компараторы (С1...С4) для позиционного регулирования (в данном
техпроцессе не используются). Выходные реле (Р1...Р5) для формирования
120
ШИМ сигнала от регулятора на ТЭН. Транзисторные ключи, для управления
дискретными исполнительными механизмами (вентилятором, заслонкой, кла-
паном). Для усиления сигналов управления от транзисторных ключей исполь-
зуется 8-ми канальный блок БКМ, имеющий на выходе реле, позволяющие
коммутировать сигналы на включение - выключение дискретных исполнитель-
ных устройств.
РаКлта ТТТ ппгапт«иАтга гтл итого кд о гпптоАтгтоии г гшгплггишмлй
X. UWIU i XXX vp/x UXIUUJ V 1 VZX XIV LUUX 4XXVX X» WVXUVX VXUXXIX V> l^IXIVXVX p/V«XVXlVX4ZXX
(рис. 86), при выполнении которых производится регулирование температуры
деталей, включение - выключение в определенные моменты времени дискрет-
ных исполнительных устройств.
Затем приступают к практической организации АСУ ТП.
5. Разработка, изготовление, монтаж оборудования и приборов.
На основе разработанных схем производится разработка оборудования и
АСУТП. Проектирование производится специализированными организациями
с учетом требований СНиП, Госгортехнадзора и др., а также с учетом реальной
технологической среды и требований заказчика.
Часто организация АСУ ТП производится на базе уже существующих со-
оружений и основного технологического оборудования (камер, котлов, печей,
помещений и пр.). В этом случае работы по организации АСУ ТП предусмат-
ривают выбор исполнительных механизмов и датчиков, а также способов и
мест их установки на существующее оборудование. Кроме того, определяются
места установки управляющих приборов и прокладки кабелей. При этом преду-
сматриваются меры по удобству обслуживания оборудования и безопасности
персонала, а также способы защиты управляющего оборудования от внешней
среды (температура, влажность, вибрации, электромагнитные поля).
6. Разработка управляющих программ.
Для работы АСУ ТП необходимы программы:
- для управления рабочими процессами,
- для сбора и передачи информации,
- для обработки данных.
Управление рабочими процессами, как правило, осуществляется при по-
мощи специализированных микропроцессорных управляющих устройств
(например, МПР-51), которые программируются при помощи специальных
средств (приемов), положенных в основу данных приборов. Однако в некото-
МГ TV ЛПГТГТТП/TV < /ГГТМТГТ ГГ ar ТТ ГЛ ТГЛЛТЛЛПП ЛЛТ ГТТТЛЛППП ГГ/ТПГТ />ГГ ТТЛГТЛЛ»\Л ГГЛ'ГПЛГТТТЛ ЛИГ» Dr1
рЫЛ VJl^'lOZLA jlipaDJlVUHt IVIV/TVVI DJIA 1 OVA ntnUVp^VlDtnnU VI 1 V/“
компьютера. В этом случае управляющие и др. программы разрабатываются на
специализированном программном обеспечении (SCADA-системы). Как прави-
ло, эти программы также позволяют производить прием и передачу данных от
контрольных и управляющих устройств.
Для обработки информации и ее анализа используется программное обес-
печение, которое разрабатывается, например, на PASCAL, DELPHI и др., с уче-
том и применительно к поставленным задачам.
Программирование регулятора МПР-51 осуществляется при помощи спе-
циального средства, положенного в основу прибора.
121
Методика программирования регулятора МПР-51 представлена в техниче-
ском описании на прибор. По сути, процесс программирования сводится к уста-
новке значений отдельных параметров управляющего устройства, которые опре-
деляют режимы его работы и действия, выполняемые в отдельных шагах управ-
ляющей программы. Поэтому более правильно данный процесс назвать парамет-
рированием устройства. Основой для разработки управляющей программы явля-
QQVnn VnnflDTTAntra плг»тсш ттрипигитй UQ nnunDA TAYnnnnrUUAPVnrn ППЛПАГРЯ
V1V/X JUXX.VXX J liyUUJlVllXX/l, WVIUVUXVXXXILMIX XXU WXXVXJV X VZLXX v;xvx XX XV'V'XWX v xхргч/х^ч/ v>vw
(рис. 86). Подготовку к программированию регулятора МПР-51 удобно делать с
помощью таблиц, формы которых представлены ниже (рис. 88, 89). Значения па-
раметров выбираются в соответствии с необходимыми режимами и поведением
устройства (закону управления) по разделу «Программируемые параметры» до-
кументации. В таблицах приведены примерные значения параметров.
Первоначально в уровне L2 вводятся общие параметры прибора, которые не
меняются в процессе работы АСУ ТП, они отражают конфигурацию системы
(рис. 88).
У ruuiLnb Lx. иОщие параметры
параметр назначение параметра значение
Основные параметры работы прибора
о01 Тип подключаемых температурных датчиков 003
о02 Индикация десятых долей на индикаторе 001
оОЗ Управление индикатором «влажность» ООО
о04 Количество индицируемых параметров 001
о05 Использование коэффициентов калибровок ООО
о06 Психрометрический коэффициент 064
о07 Поведение прибора после восстановления питания 002
о08 Значение параметров температуры после аварии -
о09 Скорость обмена данными с компьютером 005
оЮ Тип разбиения памяти на программы и шаги 003
oil Переключение каналов индикации 000
Параметры 1-го (2-го) регуляторов
Р01 (Р.01) Постоянная времени дифференцирования 012
Р02 (Р.02) Постоянная времени интегрирования 008
РОЗ (Р.ОЗ) Полоса пропорциональности 064
Р04 (Р.04) Период следования управляющих импульсов 016
Р05 (Р.05) Зона действия интегральной составляющей 002
Р06 (Р.06) Ограничение максимальной мощности 000
Р07 (Р.07) Тип исполнительного устройства на выходе регулятора 002
Р08 (Р.08) Зона нечувствительности 001
Рисунок 88 - Таблица параметров регулятора МПР-51 (Уровень L2)
122
Затем производится ввод параметров программы технолога (закона управ-
ления), состоящей из отдельных шагов, в каждом из которых устанавливаются
необходимые значения регулируемых параметров (температуры) и состояния от-
дельных дискретных исполнительных механизмов (открывание клапана, венти-
ляция, открывание заслонки) (рис. 89).
После подготовки бланка программы производится ввод ее в управляющее
\/ГТПЛЙГТПЛ ПЛ МАТЛТШВ-А ППА ПЛТОО ПАППЛЙ D Tp-YUIXUPt'VCWH ЛГШРЯШ.Ш 1ТГ> ГТПЪГ^ПП
Затем осуществляется отладка программы и запуск системы в рабочем режиме.
УРОВЕНЬ L1 Н01=007 Н02= ООО
параметр параметры программы технолога значения
шаг 1 шаг 2 шаг 3 шаг
Параметры компараторов С1...С4 Параметры шагов
сО1 входная величина компаратора ... ... ...
с02 выход компаратора ... ... ...
сОЗ 1 (верхняя) уставка компаратора ... ...
с04 Э (uUMTUflfl) X/r*T,QI>VQ ТЛГЪМГТQT4Q’Tr\T4Q JV1UDI4U iwiuuupuivpu ...
с05 логика работы компаратора
с06 блокировка срабатывания компаратора
с07 блокировка срабатывания компаратора
с08 блокировка срабатывания компаратора
с09 время задержки срабатывания компаратора
сЮ время задержки отпускания компаратора
Параметры шагов
п01...п08 режимы работы 1-8 транзисторных ключей
У01 условие перехода к следующему шагу
У02 уставка условия перехода к следующ. шагу
УОЗ уставка условия перехода к следующ. шагу
У04 длительность шага (час)
У05 длительность шага (мин)
Параметры 1-го (2-го) регуляторов на данном шаге
ЕО1(Е.О1) входная величина регулятора
ЕО2(Е.О2) уставка входной величины (целая часть)
ЕОЗ(Е.ОЗ) уставка входной величины (дробная часть)
ЕО4(Е.О4) скорость выхода на уставку
ЕО5(Е.О5) знак скорости выхода на уставку
D»»z>»/»»л»/* QO ' I nr»»»» л rrnnni гантлп гтлплтгигт
1 riu^nvn. — хаилнца парамиxpvD upvi paivuvim
технолога регулятора МПР-51 (Уровень L1)
7. Обработка данных и эксплуатация системы.
При эксплуатации системы возникает необходимость регистрации и обра-
ботки данных, поступающих от датчиков технологических параметров и о ра-
боте отдельных исполнительных устройств. Обработка данных позволяет
наглядно следить за ходом технологического процесса для оперативного управ-
ления. Кроме того, архивация данных, поступающих от датчиков, позволяет
123
анализировать возможные нарушения хода технологического процесса, а также
оценивать влияние различных факторов на качество выпускаемой продукции.
Для архивации данных управляющее устройство оснащается специальными
программами, которые устанавливаются на компьютере, подключаемом к управ-
ляющему устройству. Регулятор МПР-51 подключается к компьютеру через по-
следовательный порт с помощью адаптера сети АС-2 по интерфейсу RS-232.
С* пагп/ттогтлплнл КЛГТР-S1 плптао поатга г>гтАгчлап1.иаа rfvina nauntiv
Х-/ pvijjl/ixvpvni ХТХХХХ wZ X V/1 Ч/ХХЧ/Х^ЖХЪМХХДХХЪХЛХ xxp/wx p/MIVXIVXM. vvv|/u /цмхххххи/х^
позволяющая отображать показаний датчиков и архивировать их в отдельный
текстовый файл, который автоматически создается на компьютере при ее за-
пуске. В текстовом файле записываются показания датчиков и реальное время
записи данных. Интерфейс программы МПР-51 reporter и формат текстового
файла показаны на рисунке 90.
I 31 05 2017 Блокнот
Файл Правка Формат Вид Справка
12 :17:44
12:17:48
12:17:52
12:17:56
12:18:00
12:18:04
12:18:08
12:18:12
12:18:16
12:18:20
12:18:24
12:18:28
12:18:32
22.3
22^4
22,3
22,3
22,3
22,3
22,3
22,3
22,3
22,3
22,3
22,3
22,3
Рисунок 90 - Интерфейс программы МПР-51 reporter отображения данных
от МПР-51 и формат текстового файла их архивации
Для более удобного и наглядного представления данных применяют спе-
циальные программы, разрабатываемые с применением современных средств
программирования в зависимости от решаемых задач. Так, например, для
наглядного отображения данных, собранных в текстовом файле, в виде графи-
ков временного процесса, разработана специальная программа Diagram на
DELPHY, интерфейс которой показан на рисунке 91.
Таким образом, создается аппаратно-программный комплекс АСУ ТП.
Представленная методика рассмотрена для определенного примера, но по-
следовательность и принципы выполнения отдельных этапов носят общий ха-
рактер и могут быть применены для создания других АСУ ТП.
124
Рисунок 91 - Интерфейс программы Diagram для отображения данных
в виде графика
В настоящее время для организации работы АСУ ТП применяются различ-
ные SCADA-системы (Supervisory Control And Data Acquisition System) - си-
стема сбора данных и оперативного диспетчерского управления, которые обес-
печивают выполнение следующих задач:
1 - сбор информации о контролируемых технологических параметрах от
AAJnipVJiJltpVD ПУ1Л\.П^1 V )рийПЛ *1 ДЛ1 4HRUD,
2 - хранение полученной информации в архивах,
3 - обработка полученной информации,
4 - непосредственное автоматическое управление технологическим про-
цессом в соответствии с заданными законами управления (алгоритмами),
5 - графическое представление хода технологического процесса и полу-
ченной ранее информации в наглядной и удобной форме,
6 - прием, обработка команд операторов и передача их на контроллеры
нижнего уровня и исполнительные механизмы объекта управления,
7 - регистрация событий, связанных с технологическим процессом и дей-
ствиями операторов, обеспечивающих эксплуатацию системы,
8 - оповещение эксплуатационного и обслуживающего персонала об обна-
руженных аварийных событиях, связанных с контролируемым технологиче-
ским процессом и функционированием программно-аппаратных средств
АСУТП с регистрацией действий персонала в аварийных ситуациях,
9 - формирование отчетных документов на основе архивной информации,
10 - обмен информацией с автоматизированной системой управления
предприятием (АСУП).
SCADA - системы могут разрабатываться самостоятельно либо с исполь-
зованием специальных программ.
125
Контрольные вопросы к главе 7
1. Методика разработки автоматизированных систем управления техноло-
гическими процессами (АСУ ТП).
2. Порядок изучения объекта управления.
3. Описание техпроцесса, разработка закона управления.
4. Требования и выбор оборудования, для осуществления технологическо-
ГП ПППТГАРРЯ
Л W ЛЛр/Ч/1-1,4/v>V"
5. Выбор элементов АСУ ТП.
6. Изготовление и монтаж оборудования.
7. Разработка управляющих программ.
8. Назначение и функции СКАДА-систем.
126
Глава 8. УПРАВЛЕНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ ПРОЦЕССАМИ
В ПРОМЫШЛЕННОСТИ
8.1. Измерители и регуляторы (как автономные системы)
В современном производстве используется большое количество техноло-
rUUArfMV ППЛПАГГЛО fOUTTlAna И ПАП/Пиппоаииа T'f>VlXr»nr»rWUrf>r>b"WY
111 4.4/4/XKJXZX. lljJVUVVVVUj xywj IVJJ^Il/l nviliyvui/l 11 ргч/х J 4xxxp/wx/v«xxrxzx 1V/111VJ1V1I1 IVVIVXl/k
параметров.
Функции управления в зависимости от типа исполнительных механизмов,
используемых в технологическом оборудовании, в основном сводятся к двум
видам:
1. Управление последовательностью включения - выключения отдельных
исполнительных механизмов во времени (цикловое управления).
2. Регулирование технологических параметров по величине и скорости.
В сложных системах реализуются обе функции.
№лпп-и\логг nTirnuTTR гпяпяи — Qairnurnk ктгапаы — nirninuim. пргх/пятпп — nprv-
л. л. V»» . wiiv|>x/mj iv^imiiwii xzx х жл iwimiwii iziwiiv шил vi ^izi i ^zwx j
лировать температуру - выключить регулятор - включить вентилятор - открыть
заслонку -....
На начальном этапе автоматизации технологические процессы могут
оснащаться локальными устройствами для измерения технологических пара-
метров с возможностью передачи данных и их архивирования, а также для под-
держания (регулирования) отдельного технологического параметра на опреде-
ленном значении для обеспечения технологического процесса.
В настоящее время зарубежными и отечественными производителями вы-
пускается множество приборов для контроля и управления. Одним из ведущих
отечественных производителей является фирма «ОВЕН» г. Москва
(www.owen.ru), выпускающая большую гамму приборов для решения разнооб-
разных технологических задач. Эти приборы по выполняемым функциям мож-
но разделить на следующие типы.
1. Измерители (ТРМ, УКТ и др.).
2. Измерители-регуляторы 2-х, 3-х позиционные (ТРМ, УКТ и др.).
3. Измерители - ПИД-регуляторы (ТРМ 12, МПР-51 и др.).
1. Измерители производят только измерение технологических параметров,
преобразование их и передачу на ПЭВМ (рис. 92).
Датчики
технологических
параметров
Рисунок 92 - Схема измерителя и представление данных в виде графика
127
Для измерения, как правило, используются серийно выпускаемые датчики
типа ТСМ, термопары, имеющие стандартный выходной сигнал. Датчики под-
ключаются к прибору, который производит преобразование сигналов и отобра-
жение их на индикаторе. Более сложные приборы оснащаются функцией пере-
дачи данных на ПЭВМ при помощи интерфейсов связи RS-232 или RS-485. Пе-
реданные данные обрабатываются компьютером и представляются в виде вре-
шаиплгл гпяАив-а (пиг
IVXV'XXXXWX W Л ^-/Uk^/XXXVV* yj_/xxv<«
О?'!
2. Измерители-регуляторы позиционные производят измерение технологи-
ческих параметров и при определенных значениях могут выдавать команды на
включение - отключение отдельных исполнительных механизмов технологиче-
ского оборудования (релейное, позиционное управление) (рис. 93).
параметров
нагрев
холод
Рисунок 93 - Схема измерителя регулятора
и график процесса регулирования
Данные приборы для измерения технологических параметров также
оснащаются соответствующими датчиками, преобразуют сигналы и
отображают их на индикаторе. Кроме того, они формируют сигнал на
управление исполнительными устройствами для регулирования техно-
логического параметра. И при необходимости могут передавать данные в
компьютер. Регулирование параметров осуществляется по позиционому закону,
т. е. при достижении измеряемого параметра определенного значения
производится включение соответствующего исполнительного механизма для
приведения его значения к заданной величине.
3. Измерители - ПИД-регуляторы производят измерение и регулирование
технологических параметров по пропорционально-интегрально-дифферен-
циальному закону (рис. 94).
128
RS-232 или RS-485
Рисунок 94 - Схема измерителя ПИД-регулятора
и график процесса регулирования
Управление исполнительными органами (задвижки, ТЭНы и пр.) осу-
ществляется при помощи ШИМ сигналов, как альтернатива непрерывному ана-
логовому управлению. Ширина импульсов, при работе по ПИД закону, опреде-
ляется исходя из суммы следующих составляющих:
1. Отклонения Е от заданного значения (П - составляющая пропорцио-
пали палу.
2. Накопленной ошибки £Е во времени t (И - составляющая, интегральная).
3. Скорости изменения регулируемого параметра ДЕ /At (Д - составляющая
дифференциальная).
Наиболее функциональным прибором фирмы «ОВЕН» является програм-
мируемый регулятор МПР-51, позволяющий по заданной программе регулиро-
вать два независимых технологических параметра по многоступенчатым зако-
нам. Кроме того, на определенных шагах программы возможна подача дис-
кретных сигналов на другие исполнительные механизмы (включить - выклю-
чить! В ппибопе ппедусмотпена связь с компьютепом чепез адаптеп связи АС-2
по последовательному порту в стандарте RS-232.
Представленные выше приборы представляют собой периферийные
устройства, которые могут быть использованы при создании более сложных
автоматизированных систем управления технологическими процессами
(АСУ ТП).
129
8. 2. Автоматизированная система управления сушкой древесины
Для производства качественных изделий из дерева требуется сушка дере-
вянных материалов, которая является одним из трудоемких и длительных про-
цессов. Технология сушки предусматривает воздействие на древесину опреде-
ленной влажности и температуры, изменяющиеся во времени по определенным
"гаглиам игтгл л^ллпАаипаАТ гтлпх/иг<»иы<» матАгшапа (ъръ тпАпши иг в-лпл^пАииа ГТгпл
^MXX-WXXIXXVX^ 11V VVWXXV IJIVWVl X-IKZJ-Х^у 1V1XIXV XUUX V*J_,XXIAJXIX Хр/ V*XXJ,XXX1 XX xwp VVJXVXXXX/X. xxyxx
этом законы изменения температуры и влажности зависят от многих факторов:
начальной влажности древесины, породы дерева и т. д. Таким образом, основ-
ной задачей процесса сушки является обеспечение на выходе древесины опре-
деленной влажности без указанных дефектов и с минимальными временными и
материальными затратами.
Для указанного процесса создается оборудование, схема которого показана
на рисунке 95.
Т1
реяв
Р1
импульсный
ПИД-регулятор
R1
Т2
импульсный
ПИД-регулятор
R2
реле
Р2
| связь с компьютером
-| адаптер сети
г
иомваратор К4 L—
юнец программы L—
jroMiagaro^(£
компаратор К2
компаратор КЗ
реле
Р6
реле
Р4
реяв
РЗ
задатчик программ
управления
реяв
Р5
аклвченм - отключение
дополнительных исполнительных
механизмов на олределениых шагах
меццила]
Рисунок 95 - Оборудование для сушки древесины
с автоматизированной системой управления
130
Оборудование выполнено в виде камеры определенного объема, оснащен-
ной нагревателем (ТЭН) для регулирования температуры (Т°С), вентилятором
для направления нагретого потока в материал, парогенератором и заслонкой
для регулирования влажности (ф) в камере. Для контроля технологических па-
раметров в камере установлены два датчика температуры: сухой (Ткам) и
влажный (Твлаж). Температура в камере определяется по показаниям Ткам, а
OnQ-itrUAPTL ГТГ> nnVQQQUUaM Ть-ОХ* Ы nilQUAPTU Ть-ох* _ Tuna-ir
Х»«ГХ«ХУХЪХХ Л X» ХХЧ/ ХХЧ/ХКЬХ^/ХХХХХХ/XAVX X ХЧЛХЛТХ XX Д-ЛЪХ^ХХЧ/Ч/XXX X XVXXXVX X XJUXXXXXV*
В качестве управляющего устройства применен регулятор МПР-51. Датчи-
ки температуры подключены к соответствующим входам в прибор. Для регули-
рования температуры в камере использован ПИД регулятор R1, выход которого
при помощи ШИМ сигнала управляет реле Р2, включающего нагреватель ТЭН.
Для регулирования влажности использован позиционный компаратор К1, кото-
рый при помощи дискретного сигнала управляет реле РЗ, включающего элек-
тромагнитный клапан подачи воды в парогенератор. Для вентиляции камеры в
определенные моменты процесса сушки открывается заслонка при помощи
электромагнита, включаемого при помощи транзисторного ключа через проме-
жуточные реле Р6. В конце цикла сигнал подается на реле Р5.
Для осуществления процесса сушки в регулятор МПР-51 вводится про-
грамма, состоящая из отдельных шагов, внутри которых задаются необходимые
величины технологических параметров и состояний исполнительных механиз-
мов. При этом в прибор могут быть записаны несколько программ, для различ-
ных условий (различные породы дерева, время года, начальная влажность и пр.).
В процессе работы в каждом шаге программы регулятор R1 с применением
ПИД закона и с помощью ТЭНа осуществляет регулирование температуры в
камере в соответствии с заданной. Компаратор К1 осуществляет позиционное
pci JiiipvDannv d tuuiDvitiDnn v доданным npui paxvixviun.
путем подачи воды в парогенератор при помощи электромагнитного клапана. В
соответствии с технологическим процессом на определенном шаге программы
осуществляется вентилирование камеры при помощи заслонки, управляемой
электромагнитом (ЭМ). Таким образом, система, осуществляя длительный про-
цесс, выдерживая заданные технологические параметры, обеспечивает высокое
качество продукции.
8. 3. Автоматизированная система управления газовой горелкой
В настоящее время при использовании газовых горелок для различных
энергоемких технологических процессов возникает необходимость определе-
ния и регулирования оптимального соотношения расходов подаваемого газа и
воздуха, что непосредственным образом влияет на энергетическую эффектив-
ность или КПД газовых горелок. Примерами энергоемких (теплоемких) произ-
водств являются: кирпичное производство, металлургия, обжиговые производ-
ства, котельные и др., т. е. такие производства, где основным энергетическим
ресурсом является тепловая энергия.
131
Данная задача требует обеспечение максимально возможного КПД систе-
мы в широком диапазоне изменения расхода газа (топлива) при регулировании
температуры объекта.
В большинстве производственных случаев оптимизация процессов горения
обеспечивается путем поддержания соотношения «топливо - воздух» в соот-
ветствии с номинальной режимной картой, которая отражает эмпирически по-
Тяы>а иПтОПАШЛА гтг>г>_
цессом горения является недостаточно эффективным, т. к. режимная карта не
учитывает изменение внешних факторов, например: изменение теплотворной
способности и температуры газа, изменение температуры и влажности воздуха,
характеристик газовых горелок и ряда других факторов.
В связи с этим при составлении режимных карт допускают наличие значи-
тельного избытка воздуха, чтобы ни при каких условиях не допустить возник-
новения химического недожога. В результате при некоторых режимах расход
воздуха превышает оптимальное в 1,5-2 раза, что приводит к дополнительному
расходу топлива.
В настоящее время на многих кирпичных производствах установлены го-
релки типа «Вулкан», у которых регулирование расхода газа и воздуха выпол-
няется оператором вручную по режимным картам. При этом наблюдается низ-
кая эффективность процесса горения, т. к. вручную обеспечить оптимальные
значения расходов газа и воздуха нет возможности. Поэтому другой не менее
важной целью научного исследования является повышение эффективности ав-
томатизированного управления процессами горения.
При этом возникает необходимость разработки систем автоматического
управления и исследования их работоспособности.
' I гггглпг nrrr rr/\nv/\nrn»*rr тг лаггга1тгггл ппгггтлгг т гглпг тгтгагггт
IHllUDDlIVin пидлидамн n ptuitniirv даппин npUUJltMDl HUDDimtnfVl
ности процесса горения является использование газоаналитических приборов
для анализа дымовых газов в контурах регулирования подачи воздуха. Таким
образом, большинство работ в данной области основывается на использовании
в качестве целевой функции управления косвенными показателями эффектив-
ности процессов горения, что в свою очередь не отражает действительное со-
стояние процесса регулирования температуры.
Одним из путей решения данной проблемы является применение экстре-
мального регулятора расхода воздуха, обеспечивающего непрерывный поиск и
поддержание расхода воздуха, подаваемого в газовую горелку, обеспечиваю-
щего максимальную температуру горения. При этом актуальной задачей явля-
ется построение системы экстремального регулирования (СЭР) температуры
газовых горелок по критерию максимума КПД, определяемого прямым показа-
телем - непосредственно по температуре пламени горелки.
На рисунке 96 показана схема газовой горелки, оснащенной системой экс-
тремального регулирования (СЭР).
Автоматическая оптимизация процесса горения газовой горелки осуществ-
ляется следующим образом (рис. 97). В процессе работы при определенном
расходе газа Qr производится включение двигателя вентилятора подачи возду-
ха и постепенное увеличение его расхода Qb путем увеличения частоты враще-
132
ния двигателя п. При этом температура пламени Тп будет возрастать до опре-
деленного максимального значения, затем будет происходить падение темпера-
туры вследствие избыточного расхода воздуха.
Рисунок 96 - Схема газовой горелки с экстремальным регулятором
Рисунок 97 - Диаграммы изменения температуры пламени Тп
и расхода воздуха Qb в процессе работы СЭР
При достижении величины падения заданного значения Ам производится
реверсирование изменения частоты вращения двигателя и соответственно по-
степенное уменьшение расхода воздуха Qb. Очевидно, что это приведет перво-
начально к росту, а затем, после достижения максимума, вновь к падению тем-
пературы пламени Тп.
Таким образом, экстремальный регулятор на основе анализа изменения
температуры пламени Тп производит постоянное изменение расхода воздуха
Qb, поддерживая режим максимальной температуры пламени при определен-
ном расходе газа Qr.
Очевидно, что независимо от состава газа и других внешних факторов, си-
стема обеспечит максимальную эффективность работы газовых грелок.
Кроме того, для автоматического регулирования температуры нагреваемо-
го объекта необходимо оснащение горелки вторым контуром регулирования, с
применением регулятора стабилизирующего действия. В целом оба контура -
133
экстремальный и стабилизирующего действия - будут являться элементами си-
стемы автоматического управления (САУ), которая формирует закон управле-
ния в соответствии с технологическим процессом обработки (рис. 98).
САУ (формирует закон управления в соответствии с технологическим процессом)
САР (обеспечивает точность процесса регулирования)
СЭР (обеспечивает оптимизацию процесса регулирования)
Рисунок 98 - Структурная схема системы автоматического управления
технологическим процессом
Например, для осуществления технологического процесса обжига керами-
ческих изделий или термической обработки металла необходимо регулировать
температуру по заданному закону изменения во времени. Задачей системы ав-
томатического регулирования (САР), являющейся подсистемой САУ, является
обеспечение точности процесса регулирования. Тогда задача системы экстре-
мального регулирования заключается в обеспечении оптимального процесса
регулирования путем повышения энергетической эффективности процесса го-
рения.
Объект
управления
Рисунок 99 - Схема газовой горелки, оснащенной двухконтурной
системой регулирования
134
На рисунке 99 представлена схема горелки, оснащенной двумя контурами
регулирования - системой автоматического регулирования (САР) и системой
экстремального регулирования (СЭР).
САР обеспечивает поддержание заданной температуры объекта. Для чего
на объект устанавливается датчик температуры То, выход которого связан с
элементом сравнения с заданным значением температуры Тз в соответствии с
TAVUAnnrUUAPfmi ППАПАРРМЛ СтЛГиЭП пиа (р = ТQ ТтЛ МАЧГГП/
I V/kllVUlVX II ДЧ/Ч/ЛХ-КАХТХ lipVIJ^VVV V/111 I1WV1 piVXV*VVIX JIUVVUUIIII/I yv> Л. -J -X VIJ XV&V'y&XyL^jr JU
данным и текущим значениями температуры поступает на вход регулятора, и
производится регулирование расхода газа для обеспечения Тз. При этом контур
экстремального регулирования подстраивает расход воздуха, обеспечивая оп-
тимальный режим.
Таким образом, представленная схема системы автоматического управле-
ния позволяет производить регулирование температуры объекта с оптимальны-
ми значениями расхода газа, обеспечивая максимальный КПД газовой горелки.
8. 4. Автоматизированная информационная система (АИС) контроля
технологических параметров процесса сушки кирпича
Технология производства керамического кирпича предусматривает три ос-
новных этапа: формование - сушку - обжиг. Процесс сушки осуществляется
после формования в проходных туннельных камерах на специальных тележках,
которые перемещаются по туннелям во встречном потоке теплоносителя, име-
ющего определенную температуру, влажность и скорость. В процессе сушки
производится вывод влаги из объема кирпича-сырца и подготовка его к следу-
ющему этапу - обжигу. Режимы процесса сушки существенным образом влия-
тхчлг тт 1Т^аггггиглг\^*лпплппгтг1а ттл тлтг*чгттгттл тг тт гллттагттгл*«
rvx па 1рицппuuupadUDannt па nuDvpAnutin кпрнпча п. d кип^ппим muit viipc-
деляют его качество. Сбор данных о ходе технологического процесса сушки
позволяет организовать оперативный контроль и управление. При этом анализ
полученных данных позволяет определить влияние отдельных факторов на ка-
чество и определить оптимальные параметры процесса. Схема участка сушки и
размещение автоматизированной системы представлена на рисунке 100.
Основные технологические параметры процесса сушки:
температура подводимого теплоносителя, То....................................45-55 °C
температура теплоносителя на позиции закатки, Тз.............................25-30 °C
влажность подводимого теплоносителя. 'Ро :::===::::===:::::==;=::::====::::=;=:::20—27 %
влажность теплоносителя на позиции закатки, Тз..............................60-100 %
скорость теплоносителя в туннеле, Vn.....................................0,5-1,0 м/с
Автоматизированная информационная система предназначена для опера-
тивного контроля технологических параметров процесса сушки керамического
кирпича и обеспечивает измерение и запись (архивацию) основных параметров
теплоносителя, используемого для сушки кирпича в сушильных камерах (тун-
нелях).
Система построена на доступных аппаратных средствах отечественных и
зарубежных производителей и предусматривает возможность ее дальнейшего
135
усовершенствования без существенного изменения структуры и комплектую-
щих элементов путем наращивания. Система предусматривает ее дальнейшее
использование в составе АСУ ТП.
Условия эксплуатации системы:
- рабочие температуры теплоносителя в туннелях сушки от + 5 °C до + 60 °C,
п лигт nnarr гглгтллггппапггт /члг ЭЛ ™ 1 ЛЛ 0Z
— DJia/nriUVlD 1 tiuiunuvn 1 слл — ui iv ди ivv /о,
- запыленность воздуха,
- вибрации, удары.
В процессе работы система обеспечивает:
- периодическое измерение значений температуры Тз и влажности Тз теп-
лоносителя в районе 1-ой позиции (закатки тележек) 12-ти различных туннелей в
4-х блоках, а также на выходе камеры смешивания (подготовки) теплоносителя,
- измерение температуры То, влажности То и скорости потока Vn тепло-
носителя в коллекторе, соединенном с камерой его подготовки и смешивания,
— пепедачу измеленных данных в комгтьютеп. ¥становпенный r помещении
службы технолога,
- запись полученных данных в отдельный файл,
- обработку данных и представление их в удобном виде для оперативного
контроля и анализа процесса сушки кирпича,
- архивирование данных за предыдущие периоды, с возможностью их про-
смотра и анализа.
136
Технические характеристики системы:
напряжение питания устройств системы, В....................12-18
диапазон измерения температуры, °C.......................О ... +70
диапазон измерения влажности, %.........................10... 100
диапазон измерения скорости потока, м/с.....................0 ...30
погрешность измерения температуры, °C........................±0,5
нихрсшниихь измерении влажное! и, /о.........................j_ J
погрешность измерения скорости потока, %.....................±5
допускаемая температура окружающего воздуха, °C..........5 ... + 50
Автоматизированная информационная система состоит из следующих ос-
новных устройств и элементов:
1 . Датчики влажности и температуры. 12 датчиков размещены на боковых
стенках туннелей со стороны закатки тележек, по 3 датчика в каждом из 4 бло-
ков и 4 датчика размещены совместно с датчиками скорости потока в коллекто-
рах на выходе камер смешивания.
7 Лйтшпги rirnnnrTU ППТП1ГЯ 4 пгт ПЙ7МРШРП1.1 гпймрстпл с пятишгями
Л* • / ' *»**'** ViWp'WAX* Л-Ш Л. « V WJ.T1 W X11V yl * 41 1
влажности и температуры в коллекторах на выходе камер смешивания.
3. Адаптер сети размещен непосредственно у компьютера.
4. Блок питания.
5. Компьютер.
6. Кабель связи.
7. Программа сбора данных.
8. Программа обработки данных.
Датчики влажности и температуры.
Датчики предназначены для измерения температуры и влажности теплоно-
сителя, используемого для сушки кирпича-сырца, в туннелях и на выходе камер
смешивания теплоносителя. Общий вид датчика показан на рисунке 101.
Комбинированный датчик создан с использованием датчиков влажности
HIH-4000-001 и температуры DS18B20 на базе микропроцессора
ATMEGA48-20AI.
Имеет цифровой выход, связь с ПК осуществляется через адаптер по ин-
терфейсу RS-485. Каждому датчику, установленному в сети, присваивается
свой неповторяющийся номер.
Рисунок 101 - Комбинированный датчик температуры и влажности
137
Технические характеристики датчика:
диапазон измерения: влажность, %......................0...100 ± 3,5
температура, °C..................- 10...+ 85 ± 0,5
габаритные размеры: диаметр, мм...............................20
длина, мм..................................165
напряжение питания, В......................................12-18
Схема соединения датчиков и подключения их к компьютеру показана на
рисунке 102.
Преобразователь
Рисунок 102 - Схема соединения датчиков и подключения их
к компьютеру
12 ГТМЛТТаЛАЛ Л Т/ТЛ"""' ГГ»Л/\ГГГ1ПЛ ПГГГНПЛГТ ПГ1Т¥ЛГ»ГГГГП' ЛГГЛЛА ГГП'Т'ГТГГГЛЛП т»
и прицииии pauuiDi rvriv/ пригюоидтъл пирпидтиипип unput дапнлио п
прием данных от них.
Запрос данных с датчика осуществляется в формате (пример):
№ датчика (5) Код функции (3) CRC (8)
Ответ датчика осуществляется в формате (пример):
№ датчика (5) Код функции (2) Влажн. (67) Темп. (34) CRC (108)
Примечание: 1. В скобках приведены цифры для примера. 2. CRC контрольная сумма,
вычисляется для определения ошибки передачи и чтения данных.
Датчики влажности и температуры устанавливаются на боковых стенках
туннелей по высоте - примерно в средине боковой стенки, и по глубине - меж-
ду 1 и 2 вагонетками.
Учитывая, что по сечению туннеля наблюдается неравномерность влажно-
сти и температуры, предложено производить измерение некоторого среднего
значения, которое определяется при помощи прибора CENTER 314 путем заме-
ра значений влажности и температуры в средине первой вагонетки. При прове-
дении измерений одновременно проводятся измерения датчиком и определяют-
ся значения на его выходе.
138
Затем определяются поправочные коэффициенты к показаниям датчиков.
Значения поправочных коэффициентов фиксируются в акте и заносятся в
таблицу программы обработки данных. Данную операцию желательно прово-
дить 1 раз в три месяца (квартал).
Датчик скорости потока.
Датчик предназначен для контроля скорости потока теплоносителя, на
выходе из камеры смешивания в коллекторе перед подачей в туннели сушки
(рис. 103).
Датчик выполнен в виде трубки Пито с использованием датчика давления
MPXV5004DP на базе микропроцессора ATMEGA48-20AI.
Имеет цифровой выход, связь с ПК осуществляется через адаптер по ин-
терфейсу RS-485.
Технические характеристики датчика скорости потока:
диапазон измерения скорости потока, м/с...................0...50 ± 1
диапазон рабочих температур, °C...........................- 10...+ 75
ГйЙйПЫТПир ПЙ9МРПк1'
Ж. 1. *14»* V V* I
диаметр, мм......................................................25
длина, мм.......................................................315
напряжение питания, В.........................................12-18
Рисунок 103 - Датчики скорости потока, влажности и температуры
теплоносителя
Схема подключения к компьютеру аналогична схеме подключения датчика
влажности и температуры.
Запрос данных с датчика осуществляется в формате (пример):
№ датчика (5) Код функции (3) CRC (8)
Ответ датчика осуществляется в формате:
№ датчика (5) Код функции (2) Ст. байт давления (001) Мл. байт давления CRC (084)
139
Датчик устанавливается в потоке теплоносителя рядом с датчиком влаж-
ности и температуры на специальном кронштейне в середине сечения канала на
выходе камеры смешивания перед подачей в распределительный коллектор
туннелей (рис. 100).
Адаптер сети.
Адаптер предназначен для преобразования интерфейса сигнала RS-485 в
RS-232 и обратно. Позволяет осуществить связь между датчиками и компьюте-
ром. Кроме того, через адаптер осуществляется подача напряжения питания на
датчики. Выполнен в виде отдельного блока, имеющего на кабеле разъем для
COM-порта компьютера, а также разъемы для подключения информационного
кабеля и блока питания. Размещается непосредственно рядом с компьютером и
подключается к его СОМ-порту.
Блок питания.
Предназначен для питания устройств (адаптера, датчиков) электрическим
напряжением 18 В и током до 2 А. Используется импульсный источник (AC/DC
ewitrhino aHantnr'i плшгпшийрмкгй v грты ЭЭЛ R Раппм г 1г<шпк1лтрппм и япяптр,
М Т ’ * kV***l*^ ЪХЛЛ. 4.V Л. ЛЛ. Л—Г • Л. XW 4.Ч**А/* V 1. V П* «Л. 1*, 1,* * Ч*
ром сети.
Компьютер.
Служит для организации процесса сбора данных и их обработки при по-
мощи специальных программ.
Требования к компьютеру:
- операционная система Windows ХР,
- жесткий диск не менее 40 Gb,
- наличие СОМ-порта.
ЛГ/т/згг?/, reatu
Кабель предназначен для передачи сигналов между компьютером и датчи-
ками системы. С целью обеспечения достаточной степени защиты от внешних и
внутренних помех используется экранированный кабель с четырьмя витыми
парами типа FTP cat. 5е 24AWG. Подключение датчиков к сети осуществляется
при помощи вилок-коннекторов и монтажных коробок с гнездами.
Программа сбора данных «EasyCom.com».
Программа предназначена для опроса датчиков, подключенных к сети,
приема данных от них и архивирование данных в текстовом файле result.txt.
Для запуска и конфигурирования файла EasyCom.com используется файл
easycom.bat, который содержит следующий текст:
140
Эти данные устанавливаются перед запуском программы EasyCom.com.
Алгоритм работы программы:
1. От компьютера через COM-порт в сеть посылается число из 3 байт:
- 1 байт - № датчика,
- 2 байт - код функции (опрос - 3),
- 3 байт - контрольная сумма (CRC).
Пример:
00000101 00000011 00001000
№ датчика =5 Код функции = 3 CRC = 8
2. Датчик с соответствующим № в ответ посылает число из 5 байт:
- 1 байт - № датчика,
- 2 байт - код функции (ответ - 2),
- 3 байт - значение влажности, в %,
— 4 КяЫТ — ЧИЯиРИИР ТРКЛГТРПЯТХ7ПК1 в °C'
I Л. AVilXiV Л. Л. ** *- J 2^ ***? ** у
- 5 байт - контрольная сумма (CRC).
Пример:
00000101 00000010 01000011 00100010 01101100
№ датчика =5 Код функции = 2 Влажн. = 67 Темп. = 34 CRC = 108
3. Полученные данные записываются в файл result.txt, который создается
автоматически в каталоге, где установлена программа EasyCom.com. Запись
данных в него осуществляется в следующем формате:
время дата влажность температура
Например:
11:45:53 23/10/18 067 034
4. Производится последовательный опрос всех датчиков, установленных в
сети путем повторения пи. 1, 2, 3.
5. Отключение программы EasyCom.com осуществляется нажатием клави-
ши Esc или выходом из программы.
Программа «Monitor» обработки данных.
Программа Monitor предназначена для обработки данных, собранных в
файле result.txt. Она позволяет в удобном виде просматривать данные о техно-
логических параметрах процесса сушки кирпича-сырца.
После запуска программы появляется главное окно фиксированного раз-
мера (рис. 104).
141
Ф4ил Настройка Выход
Туннели
Коллекторы
56/
52
120-J--------------------------
. _ _ 1 | С "ла i6 51
100- 1*8 S 48 д-_48
во- II I I
60-
40-
20-
О-
5J:48 48£«5 48
-------1-60
525
-50
8
40 2
-30 |
60-
50"
*
„40*
30-
20-
10-
О*
55
60
15
зо 5
20 |
38
*
й
«0 -<
8
40 5
16 10 О 15
\ Скорость, м/с
Последнее
значение
влажности
в туннеле
Последнее
значение
температуры
в туннеле
Кнопки для просмотра
графиков изменения
параметров теплоносителя
за определенное время
Последнее
значение
скорости
потока в
коллекторе
Рисунок 104 - Интерфейс программы «Monitor» для отображения данных о
технологических параметрах процесса сушки кирпича-сырца
В данном окне представлены диаграммы, показывающие значения влажно-
сти и температуры в различных туннелях, а также значения скорости потока,
влажности и температуры теплоносителя, подаваемого в коллекторы. На диа-
граммах показываются данные, полученные последним опросом датчиков и при
последнем обновлении. Обновление данных происходит автоматически через
установленный период.
При работе программы EasyCom.com и записи файла result.txt его размер
увеличивается и при достижении определенного значения происходит автома-
тическое переименование файла (архивирование), при этом программа
EasyCorrLcom автоматически создает новый файл resiilttxt Переименование
файла осуществляется путем добавления к его имени даты переименования
(например: result 28.07.16.txt.).
Кроме того, на главном окне представлены кнопки для просмотра графи-
ков изменения параметров теплоносителя в туннелях и коллекторах за опреде-
ленный интервал времени. При нажатии на кнопку ниже главного окна появля-
ются графики, вид которых показан на рисунке 105.
Для просмотра диаграмм и графиков можно выбрать и другой файл re-
sult.txt, записанный ранее. Для чего необходимо нажать на меню «Файл» и осу-
ществить выбор.
142
Для увеличения масштаба отдельного участка графика нужно курсором об-
вести его сверху - слева вниз - направо. Для возврата к нормальному масштабу
необходимо курсором провести наклонную линию снизу - справа вверх - влево.
Настройка работы программы и показаний датчиков осуществляется при
нажатии на меню «Настройка» на главном окне. Для входа в форму необходимо
ввести пароль. Значения поправочных коэффициентов устанавливаются специ-
Рисунок 105 - Просмотр графиков изменения параметров теплоносителя
в туннелях и коллекторах за определенный интервал времени
Представленная система сбора данных разработана и эксплуатировалась на
кирпичном заводе «Феникс» в г. Воткинске. Применение ее позволило обеспе-
чить оперативность и достоверность контроля, поднять технологическую дис-
циплину и, в конечном итоге, повысить качество выпускаемой продукции.
143
8.5. Автоматизированная информационная система (АИС) контроля
технологических параметров и управления процессом обжига кирпича
Современные технологические процессы отличаются высокой степенью
сложности. Одним из примеров является производство строительного керами-
ческого кирпича, технологический процесс изготовления которого включает в
ПАЙа Г> ПА niZinrrrWA AAUAOULIA аТЯПЧ" ПАПГАТАПГ-! _ ЖаПИАОЬЧ! ГГГЛППЫUЯ _ ГХ/Ш-
VW/1 WXIVUXIUIV .JXUIXUX. W X vxjx\w vxrxvvxx kJ/k/j/ivxVUXVU XVTXJ/XXXX Xbt V J XXX
ка - обжиг.
Наиболее ответственными и трудоемкими являются технологические эта-
пы сушки и обжига кирпича. Эти технологические процессы характеризуются
высокой сложностью и множеством факторов, оказывающих влияние на каче-
ство выпускаемой продукции.
Обжиг проводится в проходной туннельной печи, в которой осуществляет-
ся температурное воздействие на кирпич по колоколообразному закону, приво-
дящему к переходу структуры глиняной смеси в состояние керамики. Для под-
держания определенного закона температурного воздействия кроме нагрева
производится организация обмена среды внутри печи при помощи нагнетания и
отбора ее системой вентиляторов и воздуховодов. Для осуществления техноло-
гического процесса обжига необходим постоянный контроль температуры и
давления в отдельных зонах печи и воздуховодах. Значения давлений и темпе-
ратур, обеспечивающих определенное качество продукции, определяются
опытным путем и являются индивидуальными для отдельного производства.
Кроме того, эти значения могут меняться при изменении погодных и климати-
ческих условий. В связи с чем возникает необходимость оперативного контроля
указанных параметров и анализ их величин за предыдущее время, в течение ко-
ЛЛ1 тталлт ПП FYZ>rY НПЛ V Y Y/\ rt Z\r>Y J YYa A Y^Y Г YX /ЧY Y Л/ЧЛ
ivpviv UV^JJJ^ViDJiAJlVa ItZAnVJiVi UpUJ-I^VV.
Для решения указанных задач на предприятии ООО НПП «Импульс»
(г. Воткинск) разработана и внедрена на кирпичном заводе ООО «Феникс» ав-
томатизированная информационная система контроля технологических пара-
метров процесса обжига кирпича в туннельной печи.
Основные характеристики процесса обжига кирпича:
количество температурных зон, шт.............................................45
температуры в зонах обжига, °C................................от + 30 до + 1100
давления в отдельных зонах печи, мм вод. ст......................от - 20 до + 20
давления в нагнетательных трубопроводах, мм вод: ст::::::;==::::====::::= до + 200
условия эксплуатации - запыленность воздуха, возможны вибрации, удары
Схема участка обжига и автоматизированной информационной системы
показана на рисунке 106. АИС обеспечивает сбор, представление и обработку
данных, отображающих ход технологического процесса обжига кирпича.
144
I
I
I
I
Блок управления
AC-3
TPM-138
TPM-138
TPM-138
TPM-138
компьютер
L
1 сигнализация
| при выходе параметров
। за установленные
—1 пределы
О
1 100’ 1
1
датчик
открывания
двери
Вентилятор .отбрра
дымовых газов
Вентилятор на рециркуляцию
в зоне подогрева
термопары
1 150’ 1 200' 1 2ЯГ 1 309* 1 350' 1 400' 1 450’ 1 500’ 1 550' [ 600' \ 610’
12
12
12
7
12,
12
L2
11
12.
2®
Нал рае, пение д вижения тележек йХТи ттгоах"
nd осп IИ11)11 ираЛ
Вентилятор отбора воздуха
из под вагонеточного пространства
ДА | датчики давления,
Yt т температуры,
III влажности
III окружающей среды
Рисунок 106 (начало) - Схема автоматизированной информационной системы контроля
технологических параметров процесса обжига кирпича
Вентилятор отбора горячего
1воздуха из зоны охлаждения
Вентилятор подачи
воздуха к горелкам
920' 1 Я50' 1 ЯЯГ 1 990’ 1 990’ 1 991Г 1 ЯЮ’ 1 Я®’ 1 920' 1 9ЖГ 1 W 1 850’ 1 800’ 1 750’ 1 ТОТ 1 600’ 585" 1 4ZJ?' 1 W 1 Ж' 1 SZF 1 ОТ’ 1 70’ 50’ 1 j»’
Вентилятор подачи воздуха
в зону охлаждения
\ 26 \ 27 \ 28 \ 29 \ 30 \ 31
\ 33 I Л \ 35 \ 36 \ 37 \ 38 \ 39 \ 10 \ Ь1 । 42 । 45 \ 64 । 45
21 \ 22 \ 23 । 24
□
Вентилятор подачи воздуха
в подвагонеточное пространство
Рисунок 106 (окончание) - Схема автоматизированной информационной системы контроля
технологических параметров процесса обжига кирпича
Система построена на доступных аппаратных средствах отечественных и
зарубежных производителей предусматривает возможность ее дальнейшего
усовершенствования без существенного изменения структуры и комплектую-
щих элементов путем наращивания и использования в составе АСУ ТП.
В процессе работы система обеспечивает выполнение следующих функций:
- периодическое измерение значений температуры Т и давлений Р в от-
ПАТТШЕТУ ГТ AU ГЛ
JXXJAXAJAZV JVIXU/Ъ AAV АЖА}
- периодическое измерение значений параметров атмосферной среды:
температуры и влажности воздуха, абсолютного атмосферного давления,
- периодическое измерение давления Р в воздуховодах системы отбора и
нагнетания печных газов и воздуха,
- передачу измеренных данных в компьютер, в помещении службы тех-
нолога,
- отражение текущих значений технологических параметров на мнемони-
ческой схеме на экране монитора,
- запись полученных данных в отдельный файл,
- обработку данных и представление их в графическом виде для оператив-
ного контроля и анализа процесса обжига кирпича,
- архивирование данных за предыдущие периоды, с возможностью их про-
смотра, анализа и распечатки.
Для реализации указанных функций система содержит следующие основ-
ные компоненты (см. рис. 106):
Датчики температуры. 15 датчиков установлены в выборочных зонах
туннельной печи (зоны 4, 7, 10, 12, 14, 17, 20, 22, 24, 25, 27, 30, 32, 36, 40 тун-
нельной печи). Выполнены в виде закрытых термопар (ТХА), заведенных через
боковые стены печи в зоны обжига.
Датчики давления установлены в выборочных зонах туннельной печи об-
жига (поз. 4 - зона 13, поз. 3 - зона 23, поз. 2 - зона 30 туннельной печи) и в
воздуховодах вентиляторов подачи или отбора воздуха (поз. 1 - давление пода-
чи воздуха в подвагонеточное пространство, поз. 5 - давление отбора воздуха
из подвагонеточного пространства, поз. 6 - давление отбора дымовых газов,
поз. 7 - давление отбора на рециркуляцию в зоне подогрева, поз. 8 - давление
нагнетания воздуха для приготовления газовой смеси горелок, поз. 9 - давление
отбора горячего воздуха из зоны охлаждения, поз. 10 - давление нагнетания
воздуха в зону охлаждения! Датчики соединены с зоной изменения давления
при помощи штуцеров с гибкими шлангами.
Датчик открывания двери установлен на двери закатки в печь.
Датчик атмосферных параметров, включающий в себя 3 датчика: датчик
температуры, датчик влажности, датчик атмосферного давления. Датчик атмо-
сферы установлен в специальном защитном кожухе на открытом воздухе вдали
от производственного здания.
Блок измерительных приборов, содержащий 4 измерителя ТРМ 138, адап-
тер сети АС-3. Блок установлен в помещении обжигальщика рядом с компью-
тером.
147
Компьютер установлен совместно с блоком измерительных приборов в
помещении обжигальщика.
Кабели связи блока измерительных приборов с датчиками.
Программа опроса датчиков.
Программа сбора и обработки данных.
Ниже представлены краткие описания отдельных составляющих элементов
nUnTAULl
XXXX\j>W^-IXVXMJ-^XXWXXXX VII VI1V X V<.1VXXAX«
Датчики температуры.
Датчики предназначены для измерения температуры в отдельных зонах
туннельной печи. В качестве датчиков температуры использованы серийно вы-
пускаемые термопары ТХА закрытого типа длиной 800 мм. Термопары уста-
новлены через отверстие в стене печи. Передача сигнала от термопары к изме-
рительному прибору осуществляется специальным компенсационным кабелем.
Технические характеристики:
диапазон измерения температуры, °C..............от - 200 до + 1100 ± 5 %
габаритные размеры*
диаметр, мм.......................................................20
длина, мм........................................................800
материал защитной гильзы.......................................ХМ45Ю
чувствительность, мВ/°С.........................................0,04
Датчики давления.
Датчики имеют оригинальную конструкцию и предназначены для кон-
троля давления среды в отдельных зонах туннельной печи и в воздуховодах от-
бора и нагнетания воздуха.
Датчики выполнены с использованием датчика давления MPXV5004DP,
который совместно со специальной схемой помещен на узкую вытянутую плату
и размещен в специальном корпусе, в виде алюминиевой трубы Ф20 мм. Труба
с одной стороны закрыта крышкой со штуцером, а с другой - гермовводом с
соединительным кабелем. Схема датчика предусматривает стабилизацию
напряжения питания (5 В) и преобразование выходного напряжения в стан-
дартный уровень (0-1 В). Связь датчика с измерительным прибором ТРМ138
осуществляется посредством кабеля FTP (витая пара).
Технические характеристики:
диапазон измерения давления, кПа........................от - 5 до + 5
напряжение на выходе датчика, В...........................от 0 до 1
диапазон рабочих температур, °C..........................- 10...+ 75
габаритные размеры:
диаметр, мм.......................................................24
длина, мм........................................................150
напряжение питания, В..........................................12-18
Датчик давления устанавливается на специальном кронштейне вблизи
воздуховода и посредством гибкого шланга подсоединяется к штуцеру, распо-
лагаемому в зоне измерения давления.
148
Датчик открывания двери.
Датчик выполнен в виде контактного конечного выключателя, взаимодей-
ствующего с подвижной дверью. На выходе датчика установлены резисторы 56
и 17 Ом. Резисторы позволяют подключить конечный выключатель к входу из-
мерителя ТРМ 138 и идентифицировать его как термосопротивление. Вход в
виде сухого контакта в приборе не предусмотрен.
f’nQ^QTl.rn'inUA n'ITUUV'l ПГШПЛППТ V r'vauvxr ОЧУЛППЛГЛ rurn'in'l Ы Г'ПХГИ/’ЫТ АТ-
\_/pUVU X UIUWIIIIV ХЖХХЛ.1Л X X\ VX\U XXX.JT UVX/kV^XX VX V VXXXXXUVXU IX VJX J ZXVXX X vx
меткой момента открывания двери.
Датчик атмосферных параметров.
Датчик оригинальной конструкции выполнен в виде специального инте-
грированного устройства на базе датчиков температуры - AD22100ST, влажно-
сти - HIH4001, абсолютного давления - MPXA4115A6U, размещенных сов-
местно со схемами стабилизации и нормирования выходного сигнала на специ-
альной плате, которая размещена в корпусе в виде алюминиевой трубы Ф20 мм.
Датчик атмосферных параметров установлен в специальном ящике на откры-
том воздухе удаленно от производственных помещений. Ящик защищает дат-
чик от прямого воздействия солнечных лучей и капель влаги.
Технические характеристики:
напряжение питания постоянного тока, В.....................12-28
напряжение на выходе датчика, В.......................... от 0 до 1
диапазон измерения влажности, %......................от 5 до 100 ± 5
диапазон измерения температуры, °C...............от - 50 до + 75 ± 1
диапазон измерения атмосферного давления, мм рт. ст.от 600 до 900
габаритные размеры, фхЬ, мм...............................20 х 150
Блок измерительных приборов.
Блок выполнен в виде специального металлического ящика, внутри кото-
рого размещены 4 измерительных прибора ТРМ 138 (фирмы «Овен»), адаптер
интерфейса АС-3, сигнальная сирена и предохранитель.
Приборы ТРМ138 (фирмы «Овен») использованы в качестве преобразова-
телей для обработки и преобразования сигналов от датчиков давления, темпе-
ратуры, влажности в цифровой сигнал и отображения значений параметров на
индикаторах.
Технические характеристики:
напряжение питания, В............................................220
Г/ТкПЛГГЛЛПППЛ Ч ГТТТ1П аллп ПГ Г ТТТ IV nvrvrmn Q
ftUJimvviDU ^nnD^pvajii>ni>JA олидио, Ш1.......................... О
погрешность измерения, %:
напряжения......................................................0,25
термо-ЭДС........................................................0,5
время опроса одного входа, не более, с.............................1
напряжение питания активных датчиков, В...........................24
габаритные размеры, мм...................................96 х 96 х 145
Адаптер АС-3 предназначен для передачи данных от измерителей ТРМ 138
в компьютер с использованием преобразования интерфейса RS-485 в RS-232.
149
Технические характеристики:
напряжение питания, В......................................220
скорость обмена данными, бит/с........................до 115 200
габаритные размеры, мм................................54 х 95 х 57
Компьютер.
Предназначен для обработки данных, принятых от измерителей ТРМ138 и
отображения параметров технологического процесса на экране дисплея в удоб-
ном для оператора виде.
Операционная система Windows ХР.
Жесткий диск не менее 40 Gb.
Наличие СОМ-порта.
Кабель связи.
Кабель предназначен для передачи сигналов между измерителями ТРМ138
и датчиками системы. С целью обеспечения достаточной степени защиты от
внешних и внутренних помех используется экранированный кабель с четырьмя
питиши пяпями тапя FTP rat Sr 74AWfr Плп1гп(лириир пятиигпи v cptu пом-
UllllJUIlll Л.«Л.Л.4.Ъ* Л- Л. Л. шЛ W AM IX *. »Т / V 1 * X-Il-lAV'b/ XV WXXX
ществляется при помощи вилок-коннекторов и монтажных коробок с гнездами.
Программа опроса датчиков (сбора данных - «Sensor.exe»).
Для снятия показаний датчиков и их обработки разработаны специальные
программы, которые в отличие от универсальных SCADA систем имеют более
понятный и удобный интерфейс, облегчающий выполнение задач, связанных с
управлением технологическим процессом обжига кирпича.
Программа опроса датчиков Sensor.exe предназначена для опроса датчи-
ков, подключенных к сети, приема данных от них и архивирование данных в
текстовом файле bufer.txt.
Запуск программы осуществляется автоматически после запуска програм-
мы «Aisl.exe».
Опрос датчиков происходит с определенным периодом.
Для конфигурирования программы Sensor.exe используется файл setting.txt,
который содержит №СОМ-порта, к которому подключена сеть, и кратность
опроса датчиков.
В процессе работы программы производится последовательный опрос всех
датчиков, установленных в сети, полученные данные записываются в файл
bufer.txt, который создается автоматически в каталоге, где установлена програм-
ма Sensor.exe. Запись данных в него осуществляется в следующем формате:
значение
дата время
Например: 40,2
06.04.2009 11:04:34
150
Программа сбора и обработки данных («Aisl.exe»).
Программа Aisl.exe предназначена для обработки данных, собранных в
файле bufer.txt. Она позволяет в удобном виде просматривать текущие данные о
технологических параметрах процесса обжига кирпича.
После запуска программы появляется главное окно фиксированного раз-
мера. Экранная форма программы (рис. 107) отражает мнемоническую схему
Х/ЧЯГ'ТЬЧ! пКмСЫГЯ Г* WflUlUWAX* П!>П!>МРТППП TAV1ТПППЛГТАГ'Г'Я
J IWVIIM* w/nrxx U Ч/ J X4XX-JVXXXXX4/1TX ХХЪ*£/ЪХХТХЧ/Х^/ЧЛХЛ 1 V/VXXVJXVX IX IV VXWX V ххр, ЧЛХД,Ч/Ч/Ч/«4«
В нижней части формы изображена схема туннельной обжиговой печи с
указанием номеров позиций (зон) и состояния закаточной двери. Рядом показа-
ны вентиляционные системы в виде полей с отражением на них значений дав-
ления в отдельных каналах в текущий момент времени, а также заданные зна-
чения (уставки) этих величин.
Текущие значения
параметров
атмосферного воздуха
Текущие значения
температурного
режима на отдельных
позициях печи
Рекомендуемые
температурные
режимы на отдельных
позициях печи
10
^5^
Технологические парамеф^на участке обжига |
Технологические
кода шпкшыый s пмвме ropeoni
Т^и^ве отбора аовдха
Заданные
значения
давлений в
канвлах
Состояние
двери
(Огкр. или
Заир.)
Текущие значения
давления в отдельных
вентиляционных
каналах
эовеполосроа 55 14
ulisl 1в| nlulwliolailliy 24125 |2в|27| 2в|»130 31|з2|зз|з4|з5|зб|з7|
IIIQI ОЮ1ЦИВГВ 15
138 39 40 41 42 4з|+4I43I
цроярмово
Обнови» режимы |
Текущие значения
давления на отдельных
позициях в печи
Сохранение
обновленных
параметров процесса
обжига
Рисунок 107 - Экранная форма программы Aisl.exe
В верхней части представлены диаграммы, показывающие требуемые (ро-
зовая диаграмма) и текущие (синяя диаграмма) значения температуры на раз-
личных позициях обжиговой печи. Под диаграммой расположены поля с указа-
нием требуемых (заданных) значений температуры на отдельных позициях пе-
чи, над которыми показаны текущие значения температуры на соответствую-
щих позициях обжиговой печи. А также представлены дополнительные панели,
отражающие значения параметров атмосферного воздуха.
151
На диаграммах показываются данные, полученные последним опросом
датчиков и при последнем обновлении. Обновление данных происходит авто-
матически через установленный период.
При работе программы Aisl.exe создается файл с именем текущей даты,
например: report 06.11.2009.txt. Данный файл служит для просмотра графиков
изменения параметров процесса обжига. При каждом опросе его размер увели-
чыпяАтг'а пп'лтпхлл/ noAnpuq пплпрnxzr»o qnTnuaTUUArt/nrn qnvununnnauua Аайпа
ХЛХЛ V^VXXU XX^ZKZX^W^JT ЪХХ» X 4ZXVXV* XIX X VVXVVX V UjJ/kXXUIXjJVUUXXIX/X \£S«XXXJXIX}
происходящая в момент начала суток. При этом программа Aisl.exe автомати-
чески создает новый файл с именем даты новых суток.
Кроме того, на главном окне текущие значения давлений и температур по-
казываются на специальных полях при нажатии кнопки с соответствующим па-
раметром, которые позволяют просматривать графики изменения параметров
процесса обжига за определенный интервал времени (рис. 108).
Рисунок 108 - Отображение графиков изменения параметров
процесса обжига
При нажатии на кнопку интересующей позиции ниже главного окна появ-
ляются графики с названием позиции следующего вида: красная линия - теку-
щее значение параметра, синяя линия - требуемое значение (уставка), зеленая
линия - состояние двери (открыта или закрыта) для определения момента про-
движения тележек в печи.
152
Программа позволяет просматривать диаграммы и графики, записанные
ранее (для контроля или анализа). Для этого необходимо нажать на меню «От-
крыть файл» и осуществить выбор архивного файла report<dama>.txt.
В целом работа АИС осуществляется следующим образом (см. рис. 108).
Процесс работы обжиговой печи осуществляется при определенных технологи-
ческих параметрах, значения которых определяют заданное качество продук-
пш1 Таьчшша QuauAuua п^памртплп wiiMAnaizvrr'a патииг!>ми rrannpuua ы ТАКПАпа.
туры. Показания датчиков передаются на 8-канальные измерительные приборы
ТРМ138, где преобразуются в цифровой вид и по линии связи, с использовани-
ем интерфейса RS-485 передаются в компьютер через адаптер АС-3. Компью-
тер производит последовательное считывание показаний датчиков при помощи
программы Sensor.exe и производит архивирование данных в текстовом файле
bufer.txt. Затем полученные данные обрабатываются программой Aisl.exe и
отображаются на экране монитора в виде текущих значений и графиков изме-
нения параметров во времени.
В процессе работы системы текущие значения параметров процесса ис-
пользуются оператором для управления исполнительными механизмами с це-
лью обеспечения заданных значений.
Возможности системы позволяют в дальнейшем организовать автоматиче-
ское управление исполнительными механизмами.
Внедрение автоматизированной информационной системы на кирпичном
заводе ООО «Феникс» позволило повысить оперативность контроля технологи-
ческих параметров, снизить влияние человеческого фактора, повысить стабиль-
ность технологического процесса и, в конечном итоге, повысить качество вы-
пускаемой продукции.
153
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В учебном пособии рассмотрены теоретические и практические аспекты
управления объектами машиностроительного производства. Рассмотрена кон-
цептуальная схема управления, виды объектов управления с точки зрения
внешних воздействий, сигналы и способы управления различными объектами.
Для представленных видов объектов рассмотрены дискретные и непре-
рывные системы управления, отдельно описаны микропроцессорные системы
управления.
При рассмотрении управления дискретными объектами выделены два типа
систем управления: комбинационные и последовательные, для которых пред-
ставлены методики их разработки. Описаны системы управления на базе про-
граммируемых логических контроллеров, а также на примере представлена по-
дробная методика создания системы управления на их основе.
Для непрерывных объектов рассмотрены системы автоматического регу-
лирования, законы регулирования и виды регуляторов, обеспечивающих под-
держание необходимых технологических параметров на заданном уровне.
Представлена классификация и подробно описаны элементы для создания
различных систем управления: датчики, входные преобразователи, управляю-
щие системы и устройства, выходные преобразователи, приводы и исполни-
тельные механизмы.
Приведена методика разработки автоматизированных систем управления
технологическими процессами.
В заключительной главе представлены примеры разработанных автором
автоматизированных систем управления различными промышленными объек-
тами: камерой сушки древесины, печи с газовой горелкой, камерой сушки и пе-
чи обжига строительного кирпича.
154
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Бесекерский В. А. Теория систем автоматического управления / Бесекер-
ский В. А., Попов Е. П. - 4-е изд., перераб. и доп. - СПб: Профессия, 2003. -
752 с.
2. Лукас В. А. Теория управления техническими системами / Лукас В. А. -
iiQn прпАпаК ы плп __РгятАгши^йтг Vm-1 Д 9ППЭ _________________________ATS
Ч/ ХХ_/^«^ ххч/рлч/рлъхчх» XX ^VXX( xjx\ux vyixxx V JjJX • J Л. Л. X J. ЧХ r 4/«
3. Теория автоматического управления: Учебник для вузов / С. В. Душин,
Н. С. Зотов, Д. X. Имаев и др.; под ред. В. Б. Яковлева. - 2-е изд., перераб. -
М.: Высшая школа, 2005. - 567 с.
4. Новиков Ф. А. Дискретная математика для бакалавров и магистров:
учебник / Ф. А. Новиков. - 2-е изд. - Санкт-Петербург: Питер, 2014.
5. Яблонский С. В. Введение в дискретную математику: учебное пособие /
С. В. Яблонский; Московский государственный университет им. М. В. Ломоно-
сова (МГУ). - 4-е изд., стер. - Москва: Высшая школа, 2006.
6. Теория систем автоматического регулирования. Издание третье, исправ-
ленное. Бесекерский В. А./ Попов Е. П., издательство «Наука», Главная редак-
ция физико-математической литературы. - М., 1975. - 768 с.
7. Садов, В. Б. Микропроцессорные системы управления: учебное посо-
бие / В. Б. Садов, В. О. Чернецкий. - Челябинск: Издательский центр ЮУрГУ,
2013.-59 с.
8. Станки с ЧПУ: устройство, программирование, инструментальное обеспе-
чение и оснастка [Электронный ресурс]: учеб, пособие / А. А. Жолобов,
Ж. А. Мрочек, А. В. Аверченков, М. В. Терехов, В. А. Шкаберин. - 2-е изд., стер. -
М.: ФЛИНТА, 2014. - 355 с.
155
Книги почтой
Заказ можно сделать на сайте издательства
www. infra-e. ru
№ п/п Наименование книги Кол- во
1 Электроавтоматика универсальных и программных станков
2 Микроконтроллеры для систем автоматики. Изд. 2-е
3 Технические измерения и автоматизация в тепло- и электроэнергетике
4 Справочник инженера по АСУТП: Проектирование и разработка
5 Основы автоматизации интеллектуальных транспортных систем
6 Автоматический синтез уравнений движения механических систем
7 Математические модели систем управления
8 Надежность, оптимизация и диагностика автоматизированных систем
9 Программирование обработки на станках с ЧПУ
10 Основы робототехники
П Методы анализа и синтеза цифровых систем автоматического управления
12 Измерение температуры пирометрами
13 Основы мехатронных систем
14 Организационные системы: моделирование и управление
15 Информационно-измерительные системы и АСУ ТП
16 Управление техническими и технологическими системами
17 Электроавтоматика металлорежущих станков. Комплект в трех томах. Т1
18 Электроавтоматика металлорежущих станков. Комплект в трех томах. Т2
19 Электроавтоматика металлорежущих станков. Комплект в трех томах. ТЗ
20 Автоматизированные информационно-управляющие системы электростанций
21 Современные средства АСУ ТП
22 Кинематика и динамика электромехатронных систем в робототехнике
23 Проектирование цифровых систем автоматического управления на основе теории z-преобразований
24 Организация управления производством в низовых звеньях добычи нефти
25 Объекты систем автоматического управления
26 Принципы и методы создания надежного программного обеспечения АСУТП. Издание 2-е
27 Экспертные системы в АСУ ТП
28 Микропроцессорные системы автоматизации технологических процессов
29 Математическое моделирование объектов и систем автоматического управления
Автоматизация испытаний изделий на герметичность
30 Системы позиционирования с регуляторами положения и наблюдателями нагрузки
31 Справочник инженера по КИПиА. Издание 4-е, испр. и доп. (Приложения в электронном виде)
32 Интеллектуальные автоматизированные системы управления технологическими объектами. Издание 2-е, испр.
33 Системы автоматизации в газовой промышленности
34 Системы автоматизации в нефтяной промышленности
35 Регуляторы. Издание 2-е, испр., и доп.
36 Основы автоматизации производственных процессов в машиностроении
37 Контрольно-измерительные приборы и основы автоматики
'IQ ju Электромеханотронные системы. Современные методы управления, реализации и применения
39 Разработка АСУТП в среде WinCC
40 Надежность систем автоматизации
41 Автоматизация технологических процессов и производств
42 Разработка SCADA-систем
43 Автоматизация проектирования технического обеспечения АСУТП
44 Разработка программного обеспечения АСУ ТП на основе объектно- ориентированного подхода
45 Имитационное моделирование и системы управления. (Приложения в электронном виде)
46 Обеспечение безопасности АСУТП в соответствии с современными стандартами
47 Основы автоматизированных систем управления технологическими процессами
48 Справочник по настройке промышленных гидростатических уровнемеров
49 Управление потенциально опасными технологиями
50 Порядок создания, модернизации и сопровождения АСУТП
51 Методы рациональной автоматизации производства
Учебное издание
Шельпяков Александр Николаевич
АВТОМАТИЗИРОВАННОЕ УПРАВЛЕНИЕ
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ
СИСТЕМАМИ И ПРОЦЕССАМИ
Учебное пособие
ISBN 978-5-9729-1094-6
9 785972 910946
Подписано в печать 29.04.2022
Формат 60x84/16. Бумага офсетная.
Гарнитура «Таймс».
Издательство «Инфра-Инженерия»
160011, г. Вологда, ул. Козленская, д. 63
Тел.: 8 (800) 250-66-01
E-mail: booking@infra-e.ru
https://infra-e.ru
Издательство приглашает
к сотрудничеству авторов
научно-технической литературы