Цифровая система управления

Размещено на http://www.allbest.ru/

Лекция 6

Цифровая система управления. Применение компьютера и контролера в управлении процессом. Дискретные системы. Основная структура системы цифрового управления процессом. Представление цифрового результата измерений. Передача результатов измерений в цифровых измерительных системах. Передача сигналов в автоматике. Стандарты коммуникации. Система полевых шин. Протоколы. Коммуникации для технологического процесса. Среда передачи данных

Информация -- важнейший компонент управления физическими процессами, поскольку она позволяет лучше использовать два других слагаемых процесса -- материю и энергию. Учитывая глобальнейшие проблемы, связанные с производственной деятельностью (истощение природных ресурсов, отходы и загрязнение окружающей среды), большой интерес представляет любое повышение эффективности процесса и снижение побочных эффектов. Обработка информации, улучшающая характеристики технического процесса, выгодна в любом случае.

Измерение характеризуется объективностью, так как выполняется при помощи специально предназначенных для этой цели технических средств (средств измерений).

В настоящее время управляющие компьютеры и PLC предназначены для обработки информации, и относятся к техническим средствам измерений. В большинстве случаев компьютеры и PLC выполняют две основные функции: во-первых, контролируют, находятся ли параметры технического процесса в заданных пределах, и, во-вторых, инициируют соответствующие управляющие воздействия, чтобы параметры оставались в этих пределах даже при наличии внешних возмущений.

Современные измерительные системы используют в своей основе новейшие технологии обработки измерительной информации, представленной в виде рациональных чисел известной точности, с применением вычислительных машинных алгоритмов арифметики ограниченной точности.

Управление техническим процессом

Управление техническим процессом существенно отличается от обычной обработки данных. Здесь обработка данных следует за событиями во внешнем мире, т.е. процессом. Цифровая система управления должна достаточно быстро реагировать на внешние события и постоянно обрабатывать поток входных данных, чаще всего не имея возможности изменить их количество или скорость поступления.

Рис. 1.1 Применение компьютера в управлении процессом

Одновременно может потребоваться и выполнение других операций, например обмен информацией с оператором, вывод данных на экран и реакция на определенные сигналы. Этот режим обработки данных оказался настолько важным, что получил специальное название -- режим реального времени (real-time mode). Во всех системах управления имеются одинаковые функциональные блоки -- сбор данных, обмен данными с другими контроллерами и компьютерами и взаимодействие с человеком - оператором.

В общем случае система цифрового управления физическим/техническим процессом состоит из следующих компонентов (рис. 1.2 ):

? управляющего элемента;

? каналов обмена информацией;

? аналого-цифровых и цифро-аналоговых преобразователей (АЦП и ЦАП); ? датчиков и исполнительных механизмов;

? собственно физического/технического процесса.

Рис. 1.2 Основная структура системы цифрового управления процессом

Для того чтобы обеспечить связь контроллера с процессом, приходится применять много разных технологий. Самыми важными для цифрового управления являются измерения и технология датчиков. Датчики должны точно отображать физические переменные технического процесса как в стационарных, так и в переходных режимах работы. Измерительные устройства, которые обеспечивают только сигналы "включено/выключено" -- бинарные датчики. Важную роль в прикладных задачах управления процессами играют различные датчики аналогового типа.

При передаче сигналов между датчиками, управляющим контроллером и исполнительными устройствами сигналы, которые вырабатываются датчиками, должны быть согласованы как с устройствами измерения, так и с интерфейсом контроллера. В этом смысле очень важно предпринять защитные меры против влияния разнообразных электрических помех, искажающих первоначальный сигнал датчика. Вид носителя сигнала -- ток, напряжение или свет -- обычно выбирается в зависимости от характера помех.

Системы управления реального времени, включающие непрерывное измерение и мониторинг физических величин, должны часто принять во внимание возможность допустимой погрешности, чтобы гарантировать правильное поведение системы (даже в присутствии данного количества ошибок аппаратных средств и ошибок программного обеспечения).

Понятие «измерение»

Измерение - «нахождение значения физической величины опытным путем с помощью специальных технических средств». В этом определении говорится:

? о физической величине;

? о совокупности операций по применению особого технического средства, хранящего единицу физической величины;

? о операциях, обеспечивающих нахождение соотношения измеряемой величины с её единицей;

? о получении значения этой величины.

Результатом измерения должно быть рациональное число, определенное с известной точностью. В том случае, когда непрерывное качество физического объекта или процесса дискретизируется и результат такого аналого-цифрового преобразования (оцифровывания) может быть выражен совокупностью рациональных чисел известной точности, процесс измерения можно считать оконченным. Последующие преобразования цифрового результата следует относить к процессу вычисления, а не измерения [1].

Измерительная информация и средства измерений

Современное средство измерений -- техническое средство, предназначенное для измерений, имеющее нормированные метрологические характеристики, воспроизводящее и (или) хранящее единицу физической величины, размер которой принимают неизменным (в пределах установленной погрешности) в течение известного интервала времени. Суть средства измерений заключается в «умении» хранить (или воспроизводить) единицу физической величины и в неизменности размера хранимой единицы.

Числовое значение физической величины не является единственным способом представления результата измерения. Более общий термин, отражающий как числовые значения физической величины, так и её значения в иной форме (сигнал, отсчёт, код) - измерительная информация.

Разновидностью измерительной информации является сигнал и отсчёт. Помимо представления значения физической величины в виде числа, сигнала и нецифрового отсчёта - возможно, её представление и в виде кода (двоичного, шестнадцатеричного, двоично-десятичного и др.).

К первичным средствам измерений относят меры, измерительные приборы, измерительные преобразователи и датчики, измерительные устройства, измерительные установки. Согласно [6] «измерительный прибор» - это средство измерений, предназначенное для получения значений измеряемой физической величины в установленном диапазоне.

Форма представления первичных средств измерений измерительной информации определяется как измерительный сигнал.

«Измерительная система - совокупность функционально управляемых измерительных приборов, измерительных преобразователей, компьютеров и других технических средств, размещённых в разных точках контролируемого объекта с целью измерений одной или нескольких физических величин, свойственных этому объекту, и выработки измерительных сигналов в разных целях». В зависимости от назначения измерительные системы разделяют на:

? измерительные информационные;

? измерительные контролирующие;

? измерительные управляющие системы.

В определении измерительной системы не делается различий между средствами измерений и другими техническими средствами, включая PLC, то есть средствами неизмерительного назначения. Все эти средства применяются с целью измерения.

Таким образом, «измерительная система» - техническое устройство, предназначенное для измерений и представляющее собой, в общем случае, совокупность измерительных приборов, измерительных преобразователей (в том числе устройства согласования сигналов), линий связи, цифровых и аналоговых вычислительных устройств, объединённых общим алгоритмом функционирования и предназначенных для автоматического (автоматизированного) получения данных о состоянии объекта путём измерительных преобразований множества, изменяющихся во времени и распределённых в пространстве величин, характеризующих это состояние; машинной обработки результатов измерений; регистрации и индикации результатов измерений и результатов их машинной обработки; преобразования этих данных в выходные сигналы системы.

Характерными свойствами измерительной системы являются размещение технических средств в разных точках управляемого объекта и получение данных о состоянии объекта путём измерительных преобразований множества, изменяющихся во времени и распределённых в пространстве величин. Различные технические средства измерительной системы размещаются в разных точках пространства и используются для измерения физических величин, изменяющихся во времени и распределённых в пространстве. Для интеграции такой распределённой во времени и в пространстве информации необходимо обеспечить соответствующие условия её хранения, передачи, обработки, отображения, регистрации, документирования и дальнейшего распространения [1].

На рис.1.3. приведена типовая структурная схема измерительной системы. Из схемы ясно, что большая часть измерительной системы (её первичная и вторичные части) осуществляет аналоговые преобразования измерительных сигналов, и только на выходе вторичной части (на выходе АЦП) появляются промежуточные значения физических величин, представляемые в виде цифрового кода. Получение числовых результатов измерений происходит только в конечном компоненте измерительной системы - в цифровом вычислительном компоненте. В процессе приёма им в реальном масштабе времени кодов с АЦП и их последующей дискретной обработки (вычислений) в своей разрядной сетке (с достаточной разрядностью для достижения требуемой точности вычислений) с использованием соответствующих форматов данных и алгоритмов.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 1.3 Структурная схема измерительной системы

Такая структура системы слабо связана в пространстве, но сильно связана во времени (информация на выходе одного компонента должна в реальном масштабе времени и с минимальными задержками быть обработана следующим в измерительной цепи компонентом). Длительное хранение информации, представленной в аналоговом или дискретном виде в том или ином компоненте измерительной системы (за исключением цифрового вычислительного компонента), невозможно. В этой измерительной системе все операции, производимые теми или иными компонентами, независимо от их вида (измерительные, связующие, вычислительные), являются составной частью процесса измерения. Неправильная работа какого-либо компонента, даже такого пассивного, как линия связи, автоматически приведёт к ошибочному результату, то есть к метрологическому отказу[1].

Хотя измерительная система содержит пространственно, конструктивно и функционально обособленные компоненты различного назначения, система в целом должна рассматриваться как единое средство измерений. Такая измерительная система по своей метрологической сути идентична первичному средству измерения, выполненному в виде законченного изделия. Поэтому такие измерительные системы можно с полным основанием назвать нецифровыми (в них цифровой результат формируется не внутри системы, а только на её выходе).

Есть цифровые измерительные системы, использующие на нижнем уровне первичные измерительные преобразователи и с цифровым выходом и длительно хранимой цифровой базой данных, формируемой в точке измерения. Измерительные системы становятся слабо связанными системами не только в пространстве, но и во времени: доступ к цифровым измерительным данным нижнего уровня систем возможен практически в любое время при полной гарантии сохранения результатов измерений в точке измерения и их неискажённого получения для дальнейшей обработки на верхних уровнях системы [1].

Важнейшей частью измерительной системы являются измерительные каналы. Измерительный канал представляет собой цепь последовательно соединённых технических средств, образующих непрерывный путь прохождения измерительной информации от её входа до выхода и предназначенных для измерения одной физической величины. Под измерительной информацией, проходящей через измерительный канал, подразумевается аналоговый сигнал.

управление компьютер цифровой сигнал

Цифровые измерительные системы и их компоненты

В микропроцессорных измерительных системах прямые измерения составляют лишь незначительную часть всего процесса нахождения значения измеряемой физической величины, второй и главной частью которого являются операции хранения, передачи и обработки результатов прямых измерений, представленных в цифровом виде. Такие операции до сих пор рассматриваются традиционной метрологией как косвенные измерения [2].

В том случае, когда измерительные, вычислительные и иные операции реализуются в рамках конструктивно и функционально законченного изделия (датчика, измерительного преобразователя, измерительного прибора), отделить в нём измерительные операции от вычислительных не представляется возможным: на выходе средств измерений имеется цифровой результат. Важна точность (достоверность) этого цифрового результата.

В цифровых измерительных системах измерительные компоненты объединяются в цифровые измерительные каналы, а все остальные технические средства за пределами цифровых измерительных каналов рассматриваются как специализированные (например, контроллеры) или универсальные (например, компьютеры) неизмерительные компоненты. Средствами измерений в измерительных системах являются только цифровые измерительные каналы и измерительные компоненты, входящие в их состав [2].

Неизмерительные компоненты могут ухудшить точность конечных результатов измерений в процессе своих цифровых преобразований (цифровой обработки). Очевидно, что для устранения этой опасности необходимо к неизмерительным компонентам измерительных систем предъявить определённые требования по точности выполнения ими операций -- точностные требования, связанные с преобразованием результатов измерений как чисел известной значности в процессах их хранения, передачи, обработки, отображения и документирования.

Точность этих операций должна быть такова, чтобы вклад погрешностей дополнительных цифровых преобразований в понижение точности результатов измерений, полученных в цифровом виде на выходе цифровых измерительных каналов, не выходил за установленные пределы. В частности, если точность этих преобразований в 3 - 5 раз выше точности измерений, то дополнительными погрешностями цифровых преобразований можно пренебречь (при условии отсутствия накоплений погрешностей в длинных последовательных цепочках таких преобразований). В отдельных случаях неизмерительные компоненты могут не только не ухудшить, но даже улучшить точность результатов измерений (например, при статистической цифровой обработке случайных результатов многократных измерений).

Требования к точности измерений и вычислений и способы их обеспечения принципиально различны. Процессы измерений и вычислений имеют свои особенности: первые представляют собой сложные процессы аналогового сравнения измеряемой величины с единицей измерения, а вторые - элементарные арифметические действия над рациональными числами. Для повышения точности аналоговых операций необходимы серьёзные технологические достижения, а для повышения точности цифровых операций достаточно всего лишь увеличить разрядность чисел (это элементарно делается в устройстве сбора и обработки данных и компьютере).

Например, для двоичных чисел, в случае представления их в формате с плавающей запятой, дополнительный байт мантиссы дает возможность увеличить точность представления числа в 256 (2 ) раз. Такое существенное и при этом легко реализуемое повышение точности невозможно при аналоговых измерениях. Если относительная погрешность аналоговых измерений составляет 0,1%, то для вычислителя, на вход которого поступают числа такой точности, без особых проблем можно обеспечить точность их промежуточного представления и обработки в 100 раз больше (для этого потребуется всего лишь двухбайтовая мантисса). На выходе вычислителя, округлив результат до точности исходных чисел как результатов измерений, их точность ухудшилась не более чем на один процент от исходного значения точности [2].

Машинное представление цифровых результатов измерений

Представление цифрового результата измерений в дискретной машинной сетке любого цифрового элемента (контроллера и компьютера) цифровой измерительной системы возможно в одном из двух форматов [2]:

в формате числа с фиксированной запятой; в формате числа с плавающей запятой

где M=(0, a-1…a-m) - нормализованная мантисса (a-1?0) в R-ичной системе счисления

с m значащими цифрами,

B=±br…b2, b1 - целочисленный порядок числа (bi ? R-1)

Известные методы вычислительной техники позволяют достаточно просто обеспечить, в отличие от аналоговых технологий, любую требуемую точность представления и обработки цифровых результатов измерений определённой значности. Тем самым в цифровых измерительных системах гарантируется сохранение точности результатов измерений не только на выходе цифровых измерительных каналов, но и после различных промежуточных цифровых преобразований на выходе измерительных систем [2].

Хранение и передача результатов измерений в цифровых измерительных системах

В цифровых измерительных системах результаты измерений не только подвергаются той или иной арифметической обработке, но хранятся в цифровой памяти и передаются по линиям или каналам связи между разными компонентами системы для выполнения в них различных операций.

Точность машинного представления (хранения) этих данных на входе системы должна соответствовать точности этих данных, то есть быть не ниже её. Точность представления промежуточных данных зависит от вида и количества выполняемых арифметических операций и может быть определена стандартными методами вычислительной техники [2].

Передача данных в цифровых системах производится по цифровым интерфейсам (например, по интерфейсам физического уровня RS-232, RS - 485) с протоколами, имеющими, как правило, многоуровневую архитектуру. На каждом уровне обеспечивается защита данных от искажений за счёт применения дополнительных контрольных разрядов и защитных кодов. В процессе приёма данных выполняется их контроль на наличие ошибок, а также используются другие методы обеспечения целостности данных. В том случае, когда измерительные данные накапливаются и хранятся длительное время в точке измерения (в цифровой памяти средства измерений), одним из наиболее эффективных методов обеспечения их достоверности при передаче в другие цифровые компоненты системы является метод повторных запросов и сравнения их результатов.

Операции арифметической обработки, хранения и передачи данных в цифровых измерительных системах обладают высокой стабильностью во времени и высокой достоверностью, которую, как и точность вычислений, можно повысить за счёт дополнительной обработки. Если для средств измерений метрология использует понятие межповерочного интервала, что связано с меняющейся во времени метрологической стабильностью этих средств, то для цифровых неизмерительных компонентов их метрологическая стабильность постоянна во времени в течение всего срока службы и поэтому не требует периодических поверок (межповерочный интервал равен сроку службы компонента) [2].

В современных цифровых измерительных системах почти все виды преобразований, данных за пределами измерительных каналов, выполняются в микропроцессорных неизмерительных компонентах (PLC и PC) программным путём. Для цифровых систем, если отлаженная программа обработки или передачи данных работает, то она работает всегда и одинаковым образом, пока работает соответствующее техническое средство. Программы «не ломаются» (хотя недоотлаженные программы и могут работать с ошибками, но это не является проблемой метрологии). Таким образом, долговременная стабильность цифровых компонентов достигается, в том числе, и за счёт их программного обеспечения.

Рис. 1.4. Простейший вариант автоматизированной системы с одним компьютером и одним устройством ввода и вывода

Компьютер обычно является «мозгом» автоматизированной системы. Он принимает сигналы датчиков, исполняет записанную в него программу и выдает необходимую информацию в устройство вывода. Коммуникации между компьютером и устройствами ввода-вывода выполняются через последовательные интерфейсы, например, USB, CAN, RS-232, RS-485, RS-422, Ethernet или параллельный интерфейс LPT. Иногда устройства ввода-вывода выполняют в виде плат, которые вставляют непосредственно в компьютер, в разъемы шины PCI или ISA. Достоинством плат является возможность получения высокой пропускной способности каналов ввода-вывода (свыше 10 Мбит/с), что трудно достижимо при использовании внешних устройств с последовательным портом. Недостатком является более высокий уровень электромагнитных наводок от компьютера и конструктивные ограничения на количество каналов ввода-вывода.

В автоматизированных системах вместо компьютера или одновременно с ним часто используют программируемый логический контроллер (ПЛК=PLC). Типовыми отличиями ПЛК от компьютера является специальное конструктивное исполнение (для монтажа в стойку, панель, на стену или в технологическое оборудование), отсутствие механического жесткого диска, дисплея и клавиатуры. Контроллеры также имеют малые размеры, расширенный температурный диапазон, повышенную стойкость к вибрации и электромагнитным излучениям, низкое энергопотребление, защищены от воздействий пыли и воды, содержат сторожевой таймер и платы аналогового и дискретного ввода-вывода, имеют увеличенное количество коммуникационных портов. В контролерах, в отличие от компьютеров, как правило, используется операционная система реального времени (например, Windows CE, QNX).

Промышленные сети отличаются от офисных следующими свойствами:

специальным конструктивным исполнением, обеспечивающим защиту от пыли, влаги, вибрации, ударов;

широким температурным диапазоном (обычно от -40 до +70 град); повышенной прочностью кабеля, изоляции, разъемов, элементов крепления; повышенной устойчивостью к воздействию электромагнитных помех; возможностью резервирования для повышения надежности;

повышенной надежностью передачи данных; возможностью самовосстановления после сбоя;

детерминированностью (определенностью) времени доставки сообщений;

возможностью работы в реальном времени (с малой, постоянной и известной величиной задержки); работой с длинными линиями связи (от сотен метров до нескольких километров).

Промышленные сети обычно не выходят за пределы одного предприятия. Однако с появлением Ethernet и Internet для промышленных сетей стали применять туже классификацию, что и для офисных.

LAN (Local Area Network) - сети, расположенные на ограниченной территории (в цехе, офисе, в пределах завода);

WAN (Wide Area Network) - глобальная сеть, охватывающая несколько городов или континентов. Обычно для этого используют Internet-технологию.

В настоящее время насчитывается более 50 типов промышленных сетей (Modbus, Profibus, DeviceNet, CANopen, LonWorks, ControlNet, SDS, Seriplex, ArcNet, BACnet, FDDI, FIP, FF, ASI, Ethernet, WorldFIP, Foundation Fieldbus, Interbus, BitBus и др.).

Общие сведения о промышленных сетях

Промышленной сетью называют комплекс оборудования и программного обеспечения, которые обеспечивают обмен информацией (коммуникацию) между несколькими устройствами. Промышленная сеть является основой для построения распределенных систем сбора данных и управления.

Поскольку в промышленной автоматизации сетевые интерфейсы могут быть неотъемлемой частью соединяемых устройств, а сетевое программное обеспечение прикладного уровня модели OSI исполняется на основном процессоре промышленного контроллера, то отделить сетевую часть от устройств, объединяемых в сеть, иногда физически невозможно. С другой стороны, смену одной сети на другую часто можно выполнить с помощью замены сетевого программного обеспечения и сетевого адаптера или введением преобразователя интерфейса, поэтому часто один и тот же тип PLC может использоваться в сетях различных типов.

Соединение промышленной сети с ее компонентами (устройствами, узлами сети) выполняется с помощью интерфейсов. Сетевым интерфейсом называют логическую и (или) физическую границу между устройством и средой передачи информации. Обычно этой границей является набор электронных компонентов и связанного с ними программного обеспечения. При существенных модификациях внутренней структуры устройства или программного обеспечения интерфейс остается без изменений, что является одним из признаков, позволяющих выделить интерфейс в составе оборудования.

Наиболее важными параметрами интерфейса являются пропускная способность и максимальная длина подключаемого кабеля. Промышленные интерфейсы обычно обеспечивают гальваническую развязку между соединяемыми устройствами. Наиболее распространены в промышленной автоматизации последовательные интерфейсы RS-485, RS-232, RS-422, Ethernet, CAN, HART, AS-интерфейс.

Для обмена информацией взаимодействующие устройства должны иметь одинаковый протокол обмена. В простейшей форме протокол - это набор правил, которые управляют обменом информацией. Он определяет синтаксис и семантику сообщений, операции управления, синхронизацию и состояния при коммуникации. Протокол может быть реализован аппаратно, программно или программно-аппаратно. Название сети обычно совпадает с названием протокола, что объясняется его определяющей ролью при создания сети.

Обычно сеть использует несколько протоколов, образующих стек протоколов - набор связанных коммуникационных протоколов, которые функционируют совместно и используют некоторые или все семь уровней модели OSI

В любой модели взаимодействия можно выделить устройство, которое управляет другим (подчиненным) устройством. Устройство, проявившее инициативу в обмене, называют ведущим, главным или мастером (Master). Устройство, которое отвечает на запросы мастера, называют ведомым, подчиненным или слейвом (Slave). Ведомое устройство никогда не начинает коммуникацию первым. Оно ждет запроса от ведущего и только отвечает на запросы. Сигналы - это результаты измерений, получаемые от датчиков и измерительных преобразователей. Их "время жизни" очень короткое, поэтому часто требуется получить только последние данные и в максимально короткий срок.

Команды - это сообщения, которые вызывают некоторые действия, например, закрытие клапана или включение ПИД-регулятора. Большинство систем должны обрабатывать потоки команд, которые передаются адресату с высокой надежностью и их нельзя передать повторно.

Состояние показывает текущее или будущее состояние системы, в которое она должна перейти. Требование к времени его доставки может быть не такие жестким, как для команд; непринятое состояние может быть послано повторно.

Событие наступает обычно при достижении текущим параметром граничного значения. Например, событием может быть выход температуры за технологически допустимую границу. За появлением события должны следовать ответные действия, поэтому для событий особенно важно требование гарантированного времени доставки.

Запрос - это команда, посылаемая для того, чтобы получить ответ. Примером может быть запрос серверу, который выдает на него ответ.

Вопросы к лекции

1. Какие элементы систем автоматики относятся к техническим средствам измерений?

2. Какие две основные функции выполняют управляющие компьютеры и PLC?

3. Каковы основные функции цифровой системы управления?

4. Какой режим обработки данных получил специальное название -- режим реального времени?

5. Из каких компонентов состоит система цифрового управления физическим/техническим процессом?

6. Какие требования предъявляются к сигналам, которые вырабатываются датчиками?

7. Какие виды носителя сигнала применяются в цифровой системе управления?

8. Что должно являться результатом измерения в цифровой системе управления?

9. Как определяется современное средство измерений?

10. Что осуществляется в измерительном канале? 11. Что входит в понятие «измерительная система»?

12. Каковы требования к точности измерений и вычислений в цифровых измерительных системах?

13. Какие виды преобразований выполняются в микропроцессорных неизмерительных компонентах (PLC и PC)?

Используемая литература

1. Elmo Pettai. Tootmise Automatisseerimine. Tallinn, 2005

2. Robert N. Bateson. Introduction to Control System Technology. Prentice Hall, 6-th edition, 1999.

3. R. Jхers. Automaatika alused, TTЬ, Automaatika instituut, 2001, Tallinn.

Размещено на Allbest.ru