Готовимся к экзамену по автоматизации химических процессов

УВК в контуре управления технологическим процессом. Устройства связи с объектом

 

Управление является необходимой функцией большинства технологических процессов, в результате которых из сырья под действием энергии получается целевой продукт. На ранних стадиях развития производства работник, исходя из своего опыта, принимал решения по управлению и регулировал подачу сырья и энергии. Он был замыкающим звеном контура управления. По мере усложнения технологических процессов работник оказывался все менее способным справиться с задачей управления.Идея использования вычислительной техники для целей управления технологическими процессами возникла еще в 50-е года прошлого столетия. Система управления технологическим процессом на базе ЭВМ эффективна потому, что поддерживает параметры процесса в режиме, близком к оптимальному. В результате сокращается расход материалов, энергии, повышаются производительность труда и качество продукции, обеспечивается быстрая перестройка оборудования на выпуск другого ее вида. Для управления производственными процессами используются управляющие вычислительные комплексы (УВК).

На протяжении многих лет, начиная с 60-х годов ХХ века, в качестве основы УВК использовались малые или мини-ЭВМ. ЭВМ этой категории обладали достаточной производительностью для управления технологическими процессами при существенно меньшей стоимости по сравнению с большими универсальными ЭВМ. Появление микропроцессоров и микроЭВМ привело к существенному расширению сферы применения УВК. Чтобы выполнять функции УВК, базовая ЭВМ дополняется специальными техническими и программными средствами.Управляющий вычислительный комплекс имеет два принципиальных отличия от универсальных ЭВМ. Во-первых, он через датчики и регулирующие органы осуществляет непосредственную связь с объектом управления. Во-вторых, УВК должен своевременно откликаться на события, происходящие в объекте управления, с которым он взаимодействует, работать в одном темпе с объектом управления, то есть в реальном времени. Реальное время – понятие относительное и зависит от темпа протекающих процессов.Комплекс взаимодействует с внешней средой через устройства связи с объектом (УСО) – устройства аналогового и цифрового ввода и вывода. Физические величины, отображающие протекание технологического процесса (например, его температура), носят преимущественно аналоговый характер. Аналоговый сигнал для передачи в ЭВМ должен быть преобразован в цифровую форму. Преобразование аналоговых величин в цифровые величины осуществляется устройством аналогового ввода.

Обобщенная структура устройства аналогового ввода представлена на рис. 5.9. Физическая величина преобразуется датчиком в электрическую величину. Датчиками с электрическим выходом являются, например, термопары и термосопротивления, измеряющие температуру.Цифровое представление аналогового сигнала обеспечивают аналого-цифровые преобразователи (АЦП). Поскольку уровни сигналов датчиков, как правило, не соответствуют требованиям преобразователя, устройства аналогового ввода дополняются обычно средствами нормирования сигнала, в качестве которых используются аттенюаторы, фильтры и т. д. Для поочередного подключения входных сигналов к АЦП используется мультиплексор. Исполнительные устройства, управляющие технологическим процессом, являются, как правило, аналоговыми. Сопряжение между УВК и исполнительными аналоговыми устройствами осуществляется устройствами аналогового вывода (рис. 5.10).

Аналоговое представление сигнала обеспечивается цифроаналоговыми преобразователями (ЦАП), вырабатывающими аналоговый сигнал, пропорциональный цифровому значению, поступившему от ЭВМ. Устройство управления обеспечивает связь с центральным процессором (ЦП) и передачу данных в ЦАП. Выходной величиной ЦАП является аналоговый сигнал напряжения или тока, пропорциональный входному цифровому сигналу. Выходной сигнал приводится к виду, требуемому для управления исполнительными устройствами.Информация о технологическом процессе может быть представлена не только аналоговыми сигналами, но также сигналами, принимающими дискретные значения. В некоторых технологических процессах используются датчики импульсов. Электрический импульс, регистрируемый счетчиком, может указывать на какое-либо событие или являться известной мерой какой-либо величины. Может также использоваться дискретный сигнал, соответствующий состоянию контактов включено – выключено (состояние двигателя, реле и т. д.) или в пределах – вне пределов, отражаемому разрядом входного регистра.Основная функция устройства дискретного ввода  – регистрация или подсчет двоичных сигналов, возникающих в технологическом процессе. Схемы нормализации сигнала преобразуют входные сигналы, представленные в видетока или положения переключателя, в сигналы напряжения и содержат помехозащитную пороговую схему, выходное напряжение которой соответствует логической единице, если входное напряжение превышает некоторый порог. Устройство управления обеспечивает связь с ЦП и формирование внутренних управляющих сигналов.Управляющий вычислительный комплекс должен быстро реагировать на события, происходящие в управляемом технологическом процессе. Момент появления этих событий заранее неизвестен; он не может быть предусмотрен ни оператором, ни программистом, описывающим алгоритм управления. Возможность реакции на внешние события обеспечивается системой прерывания.

Датчики, регистрирующие события на объекте, передают информацию в модули УСО, которые посылают в УВК запрос на прерывание. При поступлении сигналов, оповещающих о необходимости реакции УВК на события в управляемом процессе, УВК прерывает работу текущей программы и переходит к выполнению программы, предназначенной для обработки данного события. После выдачи необходимого воздействия на объект управления УВК возобновляет выполнение прерванной программы. Наличие системы прерываний – важная архитектурная особенность УВК.Работа в реальном времени предполагает использование времени как параметра управления процессом. Управляющие воздействия должны быть выданы через определенное время после появления каких-либо событий в технологическом процессе. Для реализации функций, связанных с отсчетом времени, используются или программируемый таймер, или «часы реального времени», показания которых определяют моменты времени для выполнения управляющих воздействий.

Эксплуатируются УВК в основном в производственных условиях. В этой связи конструктивной особенностью УВК является пылезащитный и сейсмостойкий корпус, защищающий их при работе в неблагоприятных условиях внешней среды от механических ударов и вибраций, повышенной влажности, запыленности и т. д. Характерным для УВК является модульный конструктивный принцип, обеспечивающий удобство обслуживания и ремонта. Эти комплексы имеют намного большее, чем у офисных компьютеров, количество слотов расширения, что позволяет обслуживать большое количество датчиков и исполнительных устройств. В отличие от офисных компьютеров в УВК платы расширения устанавливаются не на системную (материнскую) плату (что непригодно для промышленных условий), а на пассивную объединительную панель, содержащую только слоты расширения. Системная плата – модуль ЦП – так же, как и модули устройств ввода-вывода, вставляется в слот пассивной объединительной панели. Такая компоновка позволяет снизить механические нагрузки на системную плату и существенно повысить надежность УВК.УВК используют специализированное программное обеспечение – операционные системы реального времени, главная задача которых состоит в быстрой реакции на события, происходящие в управляемом объекте.К управляющему комплексу предъявляются более жесткие требования по надежности, чем к универсальным ЭВМ, используемым для научно-технических расчетов, поскольку ложное решение, принимаемое машиной, может привести к аварии на управляемом объекте. Надежность можно считать основным критерием качества УВК.

Проблема обеспечения надежности УВК требует решения на всех этапах его проектирования и производства. Требования к надежности управляющей вычислительной техники обычно задаются на уровне требований к надежности основного технологического оборудования, для управления которым она используется.В особо ответственных промышленных АСУТП с режимом эксплуатации, не допускающим перерывов в работе, УВК должны быть отказоустойчивыми, то есть продолжать работу без снижения производительности в случае, когда в их аппаратных или программных средствах возникают отказы или сбои. Они должны обеспечить безошибочную работу технологического процесса без его остановки или нарушения, во избежание возможных технологических и экономических потерь.

 

Вы здесь: Home Автоматизация Готовимся к экзамену по автоматизации химических процессов