| Шпаргалка по электронике | |
| Автор: drug | Категория: Технические науки / Автоматизация | Просмотров: | Комментирии: 0 | 02-01-2013 16:28 |
1.
2.
3.
4. Понятие микропроцессорной системы. Области применения микропроцессорных систем управления.
5. Обобщенные цели управления производственными процессами и техническими объектами.
6. Принципы управления. Классификация систем управления.
7. ПИД-регулятор и его модификации.
8. Особенности реализации ПИД-регуляторов.
9. Дискретная форма ПИД-регуляторов.
10. Критерии качества систем управления с ПИД-регуляторами.
11. Принципы настройки параметров ПИД-регуляторов.
12. Нечеткая логика в ПИД-регуляторах.
13. Применение искусственных нейронных сетей для настройки ПИД-регуляторов.
14. Применение генетических алгоритмов для настройки ПИД-регуляторов.
15. Основные компоненты микропроцессорных систем управления.
16. Архитектура микропроцессорных систем управления. Требования к архитектуре.
17. Разновидности архитектуры микропроцессорных систем управления: система с общей шиной, многоуровневая архитектура.
18. Уровни иерархии современных АСУ. Применение Интернет-технологий в микропроцессорных системах управления.
19. Особенности и основные разновидности промышленных сетей.
20. Основные физические интерфейсы промышленных сетей.
21. Интерфейс RS-485.
22. Интерфейсы «токовая петля».
23. Промышленная сеть Profibus.
24. Промышленная сеть Modbus.
25. Промышленная сеть CAN.
26. Промышленный Ethernet.
27. Беспроводные локальные сети промышленного назначения. Основные проблемы и пути их решения. Методы широкополосной модуляции.
28. Беспроводные промышленные сети Bluetooth.
29. Беспроводные промышленные сети ZigВее.
30. Беспроводные промышленные сети Wi-Fi.
31. Понятие программируемого логического контроллера. Основные типы ПЛК.
32. Архитектура программируемого логического контроллера.
33. Основные характеристики программируемых логических контроллеров.
34. Применение компьютеров в системах автоматизации.
35. Развитие программного обеспечения средств автоматизации.
36. Системы программирования на языках МЭК 61131-3.
37. Программирование на языках МЭК 61131-3: язык релейно-контактных схем.
38. Программирование на языках МЭК 61131-3: список инструкций, структурированный текст.
39. Программирование на языках МЭК 61131-3: диаграммы функциональных блоков.
40. Программирование на языках МЭК 61131-3: последовательные функциональные схемы.
41. Программное обеспечение для поддержки языков МЭК 61131-3.
42. Понятие ОРС-сервера. Основные разновидности ОРС-серверов.
43. Сервер OPC DA. Обмен информацией в системах автоматизации с OPC DA сервером.
44. Спецификация OPC UA для обмена информацией в системах автоматизации.
45. Пользовательский интерфейс в системах автоматизации. SCADA-пакеты.
46. Понятия точности, разрешающей способности, порога чувствительности измерительного канала.
47. Виды погрешностей измерительных каналов.
48. Основные функции SCADA. Программное обеспечение SCADA.
49. Измерительные каналы в системах автоматизации. Основные понятия.
50. Динамические измерения. Теорема Котельникова.
51. Виды и назначение фильтров в измерительных каналах.
52. Динамические погрешности при различных видах сигналов в измерительном канале.
53. Номенклатура устройств ввода-вывода микропроцессорных систем управления.
54. Модули ввода аналоговых сигналов в микропроцессорных системах управления.
55. Модули вывода аналоговых сигналов в микропроцессорных системах управления.
56. Модули ввода и вывода дискретных сигналов в микропроцессорных системах управления.
57. Модули ввода частоты, периода и счета импульсов в микропроцессорных системах управления.
58. Модули управления движением в микропроцессорных системах управления.
59. Микроконтроллеры – назначение, общая архитектура, история развития, основные серии.
60. Микроконтроллеры Intel 8051.
61. Микроконтроллеры PIC.
62. Микроконтроллеры AVR.
63. Аппаратная вычислительная платформа Arduino
1.Понятие микропроцессорной системы. Области применения микропроцессорных систем управления.
Микропроцессорная система (МПС) – это техническое программное средство, представляет собой функционально закончен-ное изделие, состоящее из одного или нескольких устройств, главным образом микро¬процессорных: микропроцессора и/или микроконтроллера.
Микропроцессорное устройство (МПУ) представляет собой функционально и кон¬структивно законченное изделие, состоящее из нескольких микросхем, в состав которых входит микропроцессор; оно предназначено для выполнения определенного набора фун¬кций: получение, обработка, передача, преобразование информации и управление.
Микропроцессор (МП) -программно-управляе¬мое устройство, осуществляющее процесс цифровой обработки информации и управле¬ния им и реализованное на одной большой или сверхбольшой интегральной схеме.
Опера¬тивное запоминающее устройство (ОЗУ) служит для хранения выполняемой программы и данных, подлежащих обработке. В простейших микропроцессор¬ных системах объем ОЗУ составляет десятки и сотни байт.Постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) служит для хранения констант и стан¬дартных (неизменяемых) программ. В ПЗУ обычно записываются программы начальной инициализации (загрузки) систем, тестовые и диагностические программы и другое слу-жебное программное обеспечение, которое не меняется в процессе эксплуатации сис¬тем. Микроконтроллеры являются специализированными микропроцессорами, которые ориентированы на реализацию устройств управления, встраиваемых в разнообразную аппаратуру. Термин «микроконтроллер» (МК) вытеснил из употребления ранее использовавший¬ся термин «однокристальная микроЭВМ». Характерной особенностью структуры микроконтроллеров является размещение на одном кристалле с центральным процессором внутренней памяти и большого набора периферийных устройств. МП в настоящее время преимущественно используются для производства персональ¬ных ЭВМ, а МК являются основой создания различных встраиваемых систем, теле¬коммуникационного и портативного оборудования и т. д. Применение МПС: автомобиль(руль, мотор)
.Области использования МК.Значение критерия:
1) Мало данных - мало вычислений. Характеристика задач: Задачи логического управления неслож¬ными объектами и процессами. Разрядность МК/ производительность: 8/Низкая
2) Мало данных - много вычислений. Характеристика задач: Локальные регуляторы, системы управ¬ления электрическими двигателями, под¬вижными аппаратами, различными элект¬рическими агрегатами, роботами-мани¬пуляторами, станками, портативное обо¬рудование и т. д. Разрядность МК/ производительность: 16/Средняя
3) Много данных - мало вычислений. . Характеристика задач: Многие сетевые задачи, системы управ¬ления потоками данных, коммутаторы, концентраторы, маршрутизаторы и т.п. . Разрядность МК/ производительность: 32/Высокая
4) Много данных - много вычислений. Характеристика задач: Задачи управления реального времени, обработка сигналов с интенсивным об¬меном, системы распознавания речи, изображений и т. п. Разрядность МК/ производительность: 32/ Сверхвысокая
2.Обобщенные цели управления производственными процессами и техническими объектами.
Под управлением понимается целенаправленное воздействие на объект , на основе имеющейся информации. Система управления представляет собой совокупность устройств управления и операционных устройств. В настоящее время СУ представляет собой многоуровневые средства переработки информации.
Основные цели управления:
1. Планирование и практическое управление объектами (предполагается достижение цели в производстве за счет определения оптимального перечня работ, последовательности их выполнения, четких графиков поставки сырья, комплектующих, своевременный ремонт и ввод оборудования);
2. Улучшение взаимодействия и повышение производительности (осуществляется за счет координации и согласования работ, введения новых технологий и оборудования, своевременной реакции на возникающие отклонения);
3. Снижение издержек производства за счет уменьшения брака путем своевременного автоматического контроля принятых решений, доработки технологических процессов и их усовершенствование;
4. Приспособление и учет требований рынка сбыта (включает маркетинговый анализ, прогнозирует дальнейшие возможности сбыта продукции, гибкое реагирование на изменение требований к результатам функционирования производства).
Эффективное достижение поставленных целей предполагает объединение АСУ в единую информационную сеть, разбиение ее на ряд автономно обособленных связанных составляющих, наделенных своими функциями под управлением вышестоящих звеньев. В каждом из этих звеньев могут присутствовать микропроцессорные системы обработки информации и формирования сигналов на выполнение операций.
3.Принципы управления. Классификация систем управления.
Различают три принципа управления:
- Управление в разомкнутой схеме – используются в станках с числовым программным управлением, где результат воздействия четко определен и ошибка в получении результата минимальна. Получаемые системы простые и дешевые, однако они не обладают некоторыми свойствами, такими как адаптация, обучение и изменение законов с учетом внешних воздействий. Нет обратной связи, не виден результат выполнения.
пример: токарный станок
- Управление с помощью обратной связи замкнутой системы – этот принцип применяется в случае неполной информации об объекте управления, о наличии возмущающих воздействий, приводящих к неточному результату или существенному отклонению.
E(t)=X(t)-Y(t)- сообщение об ошибке
Преимущество: осуществляется работа в режиме помех.
Недостаток: наличие запаздывания, когда при отклонении от цели возникает необходимость его коррекции, на которую требуется время.
С этой целью необходим контроль и средство контроля, что усложняет и удорожает систему
- Комбинированное управление – используется принцип разомкнутой и одновременно замкнутой системы.
R(t)- сигнал программы управления; УП- устройство планирования; УУ- устройство управления; U(t)-управляющее воздействие
Все системы управления классифицируются следующим образом:
1) Система с ручным управлением
Пример: управление автомобилем. До 45% действий оператор выполняет вручную.
СОИ- система отображения информации
2) Автоматизированные системы управления (АСУ)
90% операций автоматизировано. Оператор осуществляет все действия по включению, контролю и т. д.
3) Система автоматического управления (САУ)
Оператор определяет лишь цель, все остальное автоматически. Пример: кондиционер.
4.ПИД-регулятор и его модификации.
ПИД-регулятор использует пропорционально-интегрально-дифференци¬альный закон регулирования. ПИД-регулятор был изобретен еще в 1910 г.; позже, в 1942 г., Зиглер и Никольс разработали методику его настрой¬ки, а после появления микропроцессоров в 80-х годах развитие ПИД- регуляторов происходит нарастающими темпами.
Классический ПИД-регулятор:
ПИД-пропорционально-интегрально дифференцирующий регулятор
Простейшая система автоматического регулирования с обратной связью:
блок R- регулятор; Р — объект регулирования,
г — управляющее воздействие, е — сигнал рассогласования или ошибки, u— выходная величина регулятора, у — регулируемая величина.
Если выходная переменная u описывается выражением:
где t — время; К, Ти, Тд — пропорциональный коэффициент, постоянная инте¬грирования и постоянная дифференцирования регулятора, то такой регулятор называют ПИД-регулятором.
В частном случае пропорциональная, интегральная или дифференциаль¬ная компоненты могут отсутствовать и такие упрощенные регуляторы назы¬вают П-, И- или ПИ-регуляторами.
Таким образом, передаточная функция ПИД-регулятора имеет вид:
П-регулятор
Пусть интегральная и дифференциальная компоненты отсутствуют, т.е. Тд = 0, Ти = ∞. Тогда получим R(s)= К и уравнение системы автома¬тического управления примет вид:
В установившемся режиме, при t —►∞, передаточная функция процесса P(s) равна коэффициенту передачи Кр. При этом выра¬жение преобразуется к виду:
При пренебрежимо малых помехах и внешних возмущениях погрешность П-регулятора δу определяется пропорциональным ко¬эффициентом усиления:
Эта погрешность обычно не может быть сделана как угодно малой путем увеличения усиления К регулятора.
И-регулятор
Рассмотрим случай, когда в ПИД-регуляторе остается только инте¬гральный член, т.е. К = 0 и Тд = 0
АЧХ:
ФЧХ:
Рис.Переходная характеристика замкнутой системы с И-регулятором и объектом второго порядка вида:
Статической ошибки нет. При некоторых значениях система может быть неустойчива, нужна хорошая настройка.
ПИ-регулятор
В ПИ-регуляторе только постоянная дифференцирования равна нулю, Тд = 0:
5.Особенности реализации ПИД-регуляторов
ПИД-регулятор и его модификации являются теоретиче¬скими идеализациями реальных регуляторов, поэтому для их практического воплощения необходимо учесть особенности, порождаемые реальными услови¬ями применения и технической реализации. К таким особенностям относятся:
1.конечный динамический диапазон изменений физических переменных в си¬стеме (ограниченная мощность нагревателя)
2.ограниченная точность измерений, что требует специальных мер для вы¬полнения операций дифференцирования с приемлемой погрешностью;
3.наличие практически во всех системах типовых нелинейностей: насыщение, ограниче¬ние скорости нарастания, гистерезис и люфт;
4.технологический разброс и случайные вариации параметров регулятора и объекта;
5.дискретная реализация регулятора;
6.необходимость плавного (безударного) переключение режимов регулиро¬вания.
Методы решения перечисленных проблем:
1.Погрешность дифференцирования и шум
Суть проблемы заключает¬ся в том, что производная вычисляется обычно как разность двух близких по величине значений функции, поэтому относительная погрешность производной всегда оказывается больше, чем относительная погрешность численного пред¬ставления дифференцируемой функции.
В частности, если на вход дифференциатора поступает синусоидальный сигнал Asin(wt), то на выходе получим Acos(wt), т.е. с ростом частоты и уве¬личивается амплитуда сигнала на выходе дифференциатора. Иначе говоря, дифференциатор усиливает высокочастотные помехи, короткие выбросы и шум. Если помехи, усиленные дифферен¬циатором, лежат за границей рабочих ча¬стот ПИД-регулятора, то их можно осла¬бить с помощью фильтра верхних частот.
Кроме шумов дифференцирования, на характеристики ПИД-регулятора влияют шумы измерений. Через цепь обратной связи эти шумы поступают на вход системы и затем проявляются как дисперсия управляющей перемен¬ной и. Высокочастотные шумы вредны тем, что вызывают ускоренный износ трубопроводной арматуры и электродвигателей.
2.Погрешности интегрирования
Интегральное насыщение возникает в процессе выхода системы на режим в регуляторах с ненулевой постоянной интегрирования Ти ≠0. Инте¬гральное насыщение приводит к затягиванию переходного процесса.
Аналогичный эффект возникает вследствие ограничения пропорциональ¬ного и интегрального члена ПИД-регулятора
Суть проблемы интегрального насыщения состоит в том, что если сигнал на входе объекта управления u(t) вошел в зону насыщения (ограничения), а сигнал рассогласования r(t) – y(t) не равен нулю, интегратор продолжает интегрировать, т.е. сигнал на его выходе растет, но этот сигнал не участвует в процессе регулирования и не воздействует на объект вследствие эффекта на¬сыщения.
W1-верхнее насыщение; w2-нижнее
3.Безударное переключение режима
Может возникнуть такая ситуация, когда в работающей системе потребовалось после ручного управления систе¬мой перейти на автоматический режим. Могут появиться нежелательные выбросы регулируемой величины, если не принять специальных мер. Поэтому возникает задача плавного («безударного») пере¬ключения режимов работы или параметров регулятора.
Основной метод решения проблемы заключается в построении такой струк¬туры регулятора, когда изменение параметра выполнятся до этапа интегри¬рования.
6.Дискретная форма ПИД-регуляторов.
Непрерывные переменные удобно использовать для анализа и синтеза ПИД-регуляторов. Для технического воплощения необходимо перейти к дис¬кретной форме уравнений.
Основным эффектом, который появляется при дискретизации является появление алиасных(ложных) частот в спектре квантованного сигнала в случае, когда частота дискретизации недо¬статочно высока. Аналогичный эффект возникает при киносъемке вращаю¬щегося колеса автомобиля. Частота алиасного сигнала равна разности между частотой помехи и частотой дискретизации. При этом высокочастотный сиг¬нал помехи смещается в низкочастотную область, где накладывается на по-лезный сигнал и создает большие проблемы, поскольку отфильтровать его на этой стадии невозможно.
Для устранения алиасного эффекта перед входом аналого-цифрового пре¬образователя необходимо:
1) установить аналоговый фильтр, который бы ослаб¬лял помеху по крайне мере на порядок на частоте, равной половине частоты дискретизации.
2) увеличение частоты квантования так, чтобы она по крайней мере в 2 раза была выше максимальной частоты спектра помехи. fкв>2fnmax; fn>>femax
Переход к дискретным переменным в уравнениях аналогового регулятора выполняется путем замены производных и интегралов их дискретными аналогами.
Существует другая форма-инкрементная. Часто используют уравнение ПИД- регулятора в виде зависимости приращения управляющей величины от ошиб¬ки регулирования и ее производных (без интегрального члена). Такое пред¬ставление удобно, когда роль интегратора выполняет внешнее устройство, на¬пример двигатель.Позволяет сформировать значение управления в виде приращения управляющих воздействий. Инкрементная форма ПИД-регулятора получается путем дифференциро¬вания уравнения
7. Критерии качества систем управления с ПИД-регуляторами
Перед тем как рассчитывать параметры регулятора, необходимо сформу¬лировать цель и критерии качества регулирования. Основ¬ные качественные показатели формулируются исходя из требований к форме реакции замкнутой системы на ступенчатое изменение уставки. Для полного описа¬ния или тестирования системы с ПИД-регулятором нужен ряд показателей качества:
Качество регулирования
Выбор критерия качества регулирования зависит от цели, для которой ис¬пользуется регулятор. Такой целью может быть:
1.поддержание постоянного значения параметра (например, температуры);
2.слежение за изменением уставки или программное управление;
3.управление демпфером в резервуаре с жидкостью и т.д.
Для той или иной задачи наиболее важными могут быть следующие фак¬торы:
1.форма отклика на внешнее возмущение (время установления, перерегули¬рование, коэффициент затухания и др.);
2.форма отклика на шумы измерений;
3.форма отклика на сигнал уставки;
4.робастность по отношению к разбросу параметров объекта управления;
5.требования к экономии энергии в управляемой системе;
6.минимум шумов измерений и др.
Для классического ПИД-регулятора параметры, которые являются наи¬лучшими для слежения за уставкой, в общем случае отличаются от парамет¬ров, наилучших для ослабления влияния внешних возмущений. Для того что¬бы оба параметра одновременно были оптимальными, необходимо использовать ПИД-регуляторы с двумя степенями свободы .
1)Ослабление влияния внешних возмущений.
Внешние возмущения могут быть приложены к объекту в самых разных его частях, когда конкретное место неизвестно, считают, что возмущение воздействует на вход объекта. В этом случае отклик системы на внешние возмущения определяется передаточной функцией:
2)Ослабление влияния шумов измерений. Критерии качества во временной области. Для оценки качества ре¬гулирования в замкнутой системе с ПИД-регулятором обычно используют сту¬пенчатое входное воздействие и ряд критериев для описания формы переход¬ного процесса :
1.интегрированная абсолютная ошибка
2.интеграл от квадрата ошибки
-декремент затухания d
- статическая ошибка
- время установления Те с заданной погрешностью е3
- перерегулирование еmax
- время нарастания Тг
- период затухающих колебаний Тр.
Частотные критерии качества
В частотной областе обычно используются следующие критерии, получаемые из графика амплитудно-частотной ха-рактеристики замкнутой системы у(w) :
1)полоса пропускания
2)колебательность М
3)резонансная частота системы
Частотные критерии у реальных регуляторов не могут быть однозначно связаны с временными критериями из-за нелинейностей и алгоритмов устранения эффекта интегрального насы¬щения. Однако приближенно можно установить следующие зависимости между критериями в частотной и временной области :
Trw0,7 « 2
Частота максимума передаточной характеристики замкнутой системы при¬близительно соответствует периоду затухающих колебаний отклика на сту¬пенчатое входное воздействие: wз≈ 2π/Тр;
Чем медленнее затухают колебания, там больше показатель колебатель¬ности М.
8.Принципы настройки параметров ПИД-регуляторов.
Методы выбора параметров регулятора:
1)аналитический
Определяются величины k, Ти, Tg.Показатели качества делятся на 2 группы в зависимости от от того в каких целях применяются:
1) система стабилизации содержит объект регулирова¬ния и регулятор , ох¬ваченные обратной связью . Автоматиче¬ская система стабилизации ре¬гулирует физическую вели¬чину при изменении настройки .
Уставка- заданное постоянное значение, управляющее воздействие.
2) Следящие системы, также как и системы стабилизации со¬держат объект регулирования и регулятор, охваченные обратной связью. Отличие следящих систем заключается в том, что они управляют физической величиной при изменении настройки.
2) Упрощенный аналитический метод
Заключается в том что все коэффициенты считаются по аналитическому, но они упрощены по 1 или 2 величинам. Используется переходная функция ОУ в виде звена первого порядка.
3) Ручная регулировка.После расчета параметров регулятора желательно сделать его подстройку. Подстройку можно выполнить на основе правил, которые используются для ручной настройки:
1.увеличение пропорционального коэффициента увеличивает быстродейст¬вие и снижает запас устойчивости;
2.увеличение коэффициента интегральной составляющей приводит к возрастанию стат. ошибки, запас устойчивости уменьшается, увеличивается max ошибка.;
3.уменьшение постоянной интегрирования уменьшает запас устойчивости;
4.увеличение дифференциальной составляющей увеличивает запас устойчи¬вости и быстродействие.
4)Нахождение оптимальных коэффициентов регулятора
Выбирается критерий минимизации, в качестве которого может быть один из показателей качества. К критерию добавляются ограничения, накладываемые требованиями робастности. Таким путем получается критериальная функция, зависящая от параметров ПИД-регулятора.
Yопт= f(k,Ти,Тд)
Далее используются численные методы миними¬зации критериальной функции с заданными ограничениями, которые и позво-ляют найти искомые параметры ПИД-регулятора.
Должна быть сформулирована система ограничений(СО).
5)Автонастройка (адаптация). Система строится в виде адаптивной СУ, где вводится дополнительный контур адаптации. Автонастройка может выполняться полностью автоматически и по требо¬ванию, когда человек является инициатором настройки.
6) Табличное управление. Является разновидностью адаптивного управления, разница в том, что упрощена система идентификации объекта. Принцип табличного управления очень прост. Зная заранее возможные изменения режима работы системы, выполняют идентификацию объекта для нескольких разных режимов и для каж¬дого из них находят параметры регуля-тора. Значения этих параметров запи¬сывают в таблицу. В процессе функционирования системы измеряют параметры, которые характеризует режим рабо¬ты системы и в зависимости от их значений выбирают из таблицы коэффициенты ПИД-регулятора.
7)Принципы интеллектуального управления. ПИД-регуляторы имеют плохие показатели качества при управлении нелинейными и сложными системами, а также при недостаточной информации об объекте управления. Характеристики регуляторов можно улучшить с помощью: 1) методов нечеткой логики; 2)нейронных сетей; 3) генетических.
9. Нечеткая логика в ПИД-регуляторах
Используется при недостаточном знании объекта управления, но при наличии опыта управления им, когда по усло¬вию задачи необходимо использовать знания эксперта. Примером может быть доменная печь. ПИД-регуляторы с нечеткой логикой в настоящее время используются в коммерческих системах для наведения телекамер при трансляции спортивных событий, в системах кондиционирования воздуха, при управлении автомобиль¬ными двигателями;
Поскольку информация, полученная от оператора, выражена словесно, для ее использования в ПИД-регуляторах применяют и аппарат теории нечетких множеств, который был разработан JI. Заде в 1965 г. Основная идея этой теории состоит в следующем. Вводится понятие функ¬ции принадлежности, которая характеризует степень принадлежности элемен¬та множеству.
Нечеткая логика в ПИД-регуляторах используется дву¬мя путями: 1) для построения регулятора; 2) для организации подстрой¬ки коэффициентов ПИД-регулятора.
10. Применение искусственных нейронных сетей для настройки ПИД-регуляторов. Нейронные сети используются в ПИД-регуляторах двумя путями: для построения регулятора и для построения блока на¬стройки его коэффициентов. Нейронная сеть обладает способностью «обучать¬ся», что позволяет использовать опыт эксперта для обучения нейронной сети настройки коэффициентов ПИД-регулятора.
При использовании ней¬ронной сети от эксперта не требуется формулировка правил — достаточно, чтобы он несколько раз сам настроил регулятор в процессе «обучения» ней¬ронной сети.
Нейронная сеть состоит из множества связанных между собой нейронов. нейрон представляет собой функциональный блок с одним выходом у и n входами x1,x2…xn.
Нейронная сеть будет выполнять роль функ¬ционального преобразователя, который для набора сигналов r, е, и, у вырабатывает коэффициенты ПИД-регулятора К,Тк,Тд. Самой сложной является процедура обучения. Для обучения нейронной сети обычно используют методы градиентного поиска минимума функции, зависящей от параметров нейронов.
11. Применение генетических алгоритмов для настройки ПИД-регуляторов.
Генетические алгоритмы основаны на принципах естественного отбора, сформулированных Дарвином в 1859 г. Идею генетических алгоритмов при¬менительно к решению математических задач сформулировал Дж. Холланд в 1962 г., используя понятия генов, хромосом, скрещивания, мутация, селекции, репродукции. Основной идеей является прямое подобие принципу естественно¬го отбора, когда выживают наиболее приспособленные особи.
Для применения генетических алгоритмов необходимо преобразовать пере¬менные, фигурирующие в условии задачи, в генетические переменные. Такое преобразование задается схемой кодирования. Переменные могут быть пред¬ставлены в двоичной форме, в форме действительных десятичных чисел. Классический генетический алгоритм состоит из следующих шагов:
1.Выбор исходной популяции хромосом размера N.
2.Оценка приспособленности хромосом в популяции.
3.Проверка условия остановки алгоритма.
4.Селекция хромосом.
5.Применение генетических операторов.
6.Формирование новой популяции. И снова переходим к пункту 2.
Нужно задать нижнюю и верхнюю границы изме¬нения искомых параметров, вероятность скрещивания, вероятность мутации, размер популяции и максимальное количество поколений.
12.Основные компоненты микропроцессорных систем управления.
Компоненты СУ должны включать в себя следующие устройства:
1.Контроллер- должен получать сигналы с датчиков, с другой стороны передавать сигналы на УУ с помощью которых осуществляется управление.
Чтобы осуществить соединение используются следующие стандартные модули:
1) измерительные преобразователи, подключаются к выходу каждого датчика.
2) Компенсация погрешностей датчиков. Многие датчики имеют погрешности, эту погрешность необходимо каким-либо образом компенсировать.
3)Все выходные сигналы датчиков должны быть преобразованы, а затем в цифровом виде пеерданы контроллеру.
2.Система сбора данных- задача собрать данные с датчиков и передать на контроллер.
3. Системы с несколькими АЦП получили название модуль аналогового ввода-это законченное изделие имеющее входы для подключения датчиков и есть возможность настройки. Если выходные сигналы появляются, то параллельный код модуль может быть подключен к устройствам которые понимают параллельный код LPT, ISA,PCI(параллельныепорты).Последовательные порты: RS-232, USB/D промышленные компьютерах применяются порты: RS-485, RS-422.
4. Модуль дискретного ввода (МДВв)
1)сигналы одиночные(от кнопки) 2) групповые сигналы- идет цифровой сигнал в виде . МДВв может определить период, частоту следования импульсов или подсчитать количество k; f=1/T. С выходной стороны компьютера будут разные виды ИМ, разные по принципу действия.
В Аналоговых ИМ входной сигнал должен иметь аналоговую форму ,и быть например 0…24 В или током 0…5А. Чтобы получить такие выходные сигналы требуется усилить мощность, а перед каждым усилением ставить преобразователь, который преобразует цифровой код с выходного компьютера в аналоговый сигнал. Есть разновидности по количеству ЦАП: 1) CHL-1 ЦАП-1 ком. аналоговый сигнал 2) CHL-ЦАП в канале- 1 ком. цифровой сигнал.
5.Двигатель постоянного тока(ДПТ)
w=f(Uλ)
ДПТ потребляет много тока.
13. Архитектура микропроцессорных систем управления. Требования к архитектуре.
Архитектура компьютерной системы — это наиболее абстрактное ее представление, которое включает в себя идеализированные модели компонен¬тов системы, а также модели взаимодействий между компонентами. Правильно спроектированная архитектура оставляет сво¬боду для выбора конкретных технических решений и допускает множество технических реализа¬ций путем выбора конкретных типов компонентов и методов взаимодей¬ствия между ними.
Элементами (компонентами) архитектуры являются модели (абстракции) датчиков, уст¬ройств ввода-вывода, измерительных преобразователей, ПЛК, компьютеров, интерфейсов, протоколов, промышленных сетей, исполнительных устройств, драйверов, каналов передачи информации.
Основные требования к архитектуре компьютерных систем управления:
1)слабая связанность элементов архитектуры между собой;
не должно быть такого
2)тестируемость (возможность установления факта правильного функци¬онирования);
3) диагностируемость (возможность нахождения неисправной части систе¬мы);
4)ремонтопригодность
5)надежность
6)простота обслуживания и эксплуатации
7)безопасность
8)защищенность системы от вандалов и неквалифицированных пользова¬телей;
9)экономичность
10)модифицируемость
11)функциональная расширяемость
12)наращиваемость (возможность увеличения размера автоматизированной системы при увеличении размера объекта автоматизации);
13)открытость (использование унифицированных протоколов обмена информацией);
14)возможность переконфигурирования системы для работы с новыми техно¬логическими процессами;
15)максимальная длительность жизненного цикла системы без существенного морального старения, достигаемая путем пери-одического обновления аппаратных и программных компонентов, а также путем выбора долгоживущих промышленных стандартов;
16) минимальное время на монтаж и пуско-наладку (развертывание) системы
Для того, чтобы спроектировать систему нужно произвести декомпозицию (деления на части) системы на подсистемы. Декомпозиция может быть функциональной (алго¬ритмической) или объектной.
14. Разновидности архитектуры микропроцессорных систем управления: система с общей шиной, многоуровневая архитектура.
Распределенные системы состоят из множества территориально раз¬несенных контроллеров и модулей ввода-вывода. Каждый контроллер работает со своей группой устройств ввода-вывода и обслуживает определенную часть объекта управления. Распределенную систему управления можно определить как систему, состоящую из множества устройств, разнесенных в пространстве, каждое из которых не зависит от остальных, но взаимодействует с ними для выполнения общей задачи.
Архитектура распределен¬ной системы промышленной автоматизации на основе общей шины:
Для того чтобы получить данные из модуля или контроллера, компьютер (или контроллер) посылает в шину его адрес и команду запроса данных. Микропроцессор, входящий в состав каждого модуля или контроллера, сверяет адрес на шине с его собственным адресом, записанным в ПЗУ, и, если адреса совпадают, исполняет следующую за адресом команду. Команда позволяет считать данные, поступающие на вход устройства, или установить необходимые данные на его выходе.
Недостатки: необходимость адресации устройств и необходимость ожидания в очереди, когда шина станет свободной - это замедляет скорость передачи данных. Задержка в сетях с большим ко¬личеством устройств становится существенным ограничением на применение топологии с общей шиной, а есть процессы, в которых задержки недопустимы.
Связь отдельных устройств в распределенной системе может осуществлять¬ся с помощью любой промышленной сети.
При увеличении сети, ее масштабности сеть с общей шиной не подходит, то применяют многоуровневую архитектуру, в которой много уровней и каждая имеет свою сеть.
Такая архитектура автоматизированной системы удобна при коллективной работе с системой ав¬томатизации или для связи технологического уровня АСУ с управленческим.
Доступ любого компьютера сети к устройствам ввода-вывода или контрол¬лерам осуществляется с помощью ОРС-сервера(сервер управления процессом). Основой программного обеспечения, установленного на компьютерах сети, являются SCADA-пакеты — программные средства диспетчерского управле¬ния и сбора данных(наглядность).
Системы управления с многоуровневой архитектурой обычно строятся по объектному принципу, когда структура системы выбирается подобной струк¬туре объекта автоматизации, а каждая подсистема является локальной, Объектный принцип построения позволяет упро¬стить проектирование многоуровневой системы и обеспечить ее структурную (архитектурную) надежность.
15. Уровни иерархии современных АСУ. Применение Интернет-технологий в микропроцессорных системах управления.
Открытой называется модульная система, которая допускает замену лю¬бого модуля на аналогичный модуль другого производителя, имеющийся в сво¬бодной продаже по конкурентоспособным ценам, а интеграция системы с други¬ми системами выполняется без преодоления чрез¬мерных проблем. Средства достижения открытости: промышленные сети и протоколы, интерфейсы, программные интерфейсы, интерфейсы пользователя:
Низший (нулевой) уровень включает в себя датчики и исполнительные устройства:
В настоящее время наметилась тенденция к использованию интеллектуальных датчиков, которые имеют цифровой интерфейс, встроенный микроконтроллер, память, сетевой адрес.
Первый уровень состоит из программируемых логических контроллеров и модулей аналого-цифрового и дискретного ввода-вывода, которые обменивают¬ся информацией по промышленной сети (Fieldbus) типа Моdbus RTU, Моdbus ТСР, Profibus и др. Иногда модули ввода-вывода выделяют в отдельный уро¬вень иерархии.
Второй (диспетчерский) уровень состоит из рабочих станций — ком¬пьютеров с человеко-машинным интерфейсом (ЧМИ, НМI — Нuman Масhine Interface), наиболее распространенными вариантами которого являются SCADA -пакеты. Диспетчер (оператор) осуществляет наблюдение за ходом техно¬логического процесса или управление им с помощью мнемосхемы на экране монитора компьютера. Права опе¬раторов устанавливаются средствами ограничения доступа сетевого сервера. Важной частью второго уровня являются также базы данных реального вре¬мени, являющиеся хранилищами информации и средством обмена с третьим уровнем иерархии системы управления.
Третий уровень (уровень управления цехом) появляется как средство инте¬грации системы АСУ ТП с АСУП — автоматизированной системой управления предприятием. АСУП в зависимости от размеров корпорации может включать еще более высокий (четвертый) уровень и обеспечивать интеграцию с высшим руководством, которое может быть расположено в различных странах и на разных континентах земного шара.
В последние годы большой интерес вызывало использование Интернет-технологий в задачах управления, причем не только на уровне корпоративного управления, но даже на уровне технологического оборудования. Для этих це¬лей используются Web-серверы, которые могут быть расположены как на обыч¬ных персональных компьютерах, так и непосредственно в контроллерах или мо¬дулях
ввода-вывода (так называемые микро-web-серверы). С помощью любого web-браузера можно управлять технологическими процессами, открыв на микро-web-сервере Интернет-страничку с мнемосхемой технологического процесса.
1) Когда часть компонентов системы автоматизации выходит за границы LAN и переходит на уровень глобальной сети WAN, стоимость каналов связи резко возрастает вследствие высоких тарифов на дальнюю телефонную связь. В этих условиях наиболее экономически выгодным оказывается применение Интернета. Стоимость его ниже благодаря коммутации пакетов, а не каналов - улучшить эффективность использования пропускной способности сети связи.
2) Применения Интернет-технологий в АСУ ТП является возможность использования на компьютере диспетчера любого веб-браузера.
3) Управление и мониторинг через Интернет могут осуществляться из любой точки земного шара с помощью компьютера или мобильного телефона (коммуникатора). (для высшего руководства, которое часто бывает в командировках, а также корпораций, имеющих подразделения в разных городах или странах.)
16 Особенности и основные разновидности промышленных сетей.
Обмен информацией между устройствами, входящими в состав автомати¬зированной системы (компьютерами, контроллерами, датчиками, исполнитель¬ными устройствами), происходит в общем случае через промышленную сеть.
Промышленные сети отличаются от вычислительных следующими свойствами:
1.специальным конструктивным исполнением, обеспечивающим защиту от пыли, влаги, вибрации, ударов;
2.широким температурным диапазоном (обычно от —40 до +70 °С);
3.повышенной прочностью кабеля, изоляции, разъемов, элементов крепле¬ния;
4.повышенной устойчивостью к воздействию электромагнитных помех;
5.возможностью резервирования для повышения надежности;
6.повышенной надежностью передачи данных;
7.возможностью самовосстановления после сбоя;
8.детерминированностью (определенностью) времени доставки сообщений;
9.возможностью работы в реальном времени (с малой, постоянной и извест¬ной величиной задержки);
10.работой с длинными линиями связи (от сотен метров до нескольких ки¬лометров).
В настоящее время насчитывается более 50 типов промышленных сетей (в России популярны Modbus, Profibus).
Все современные промышленные сети основаны на принципах:
1) имеется среда передачи данных(медные кабели, оптоволокно)
2) Взаимодействие устройств выполняется в соот¬ветствии с моделями взаимодействия
3) Соединение промышленной сети с ее компонентами выполняется с помощью интерфейсов. Сетевым интерфейсом называют логическую и (или) физическую границу между устройством и средой передачи информации.
4)Для обмена информацией взаимодействующие устройства должны иметь одинаковый протокол обмена. протокол — это набор пра¬вил, которые управляют обменом информацией. Обычно сеть использует несколько протоколов, образующих стек прото¬колов — набор связанных коммуникационных протоколов, которые функцио¬нируют совместно и используют некоторые или все семь уровней модели OSI.
Интерфейсы RS-232, RS-422, RS-485(наиболее применим)
Взаимодействие устройств в промышленных сетях выполняется в соот¬ветствии с моделями клиент-сервер или издатель-подписчик (производитель-потребитель).
В модели клиент-сервер взаимодействуют два объекта. Сер¬вером является объект, который выполняет некото¬рые действия по запросу клиента. Сеть может содержать несколько серверов и несколько клиентов. Эта модель удобна для передачи данных, которые появляются периодически или в заранее известное время, Однако неудобна для передачи случайно возникающих событий.
В модели взаимодействия издатель-подписчик имеется один издатель и множество подписчиков. Подписчик сообщаtт издателю на что он подписался. Издатель рассылает под¬писчикам запрошенную информацию.
Устройство, проявившее иници¬ативу в обмене, называют ведущим (Master). Устрой¬ство, которое отвечает на запросы мастера, называют ведомым (Slave).
В сети может быть одно или несколько ведущих устройств. Такие сети называются одномастерными или многомастерными соответственно.
17. Основные физические интерфейсы промышленных сетей.
Основные физические интерфейсы промышленных сетей:RS-232,RS-422иRS-485.
Описание их вспоминаем сами.
Интерфейс RS-232-C соединяет два устройства. Линия передачи первого устройства соединяется с линией приема второго и наоборот (полный дуплекс) Для управления соединенными устройствами используется программное подтверждение (введение в поток передаваемых данных соответствующих управляющих символов).
RS-485/RS-422 используют экранированную витую пару, экран в качестве сигнальной земли. Хотя сигнальная земля обязательна, она не используется для определения логического состояния линии. Устройство, управляющее сбалансированной линией (balanced line driver), может (для RS-485 - обязательно, для RS-422 - нет) так же иметь входной сигнал "Enable" (Разрешен), который используется для управления выходными терминалами устройства. Если сигнал "Enable" выключен, то это значит, что устройство отключено от линии, причем отключенное состояние устройства обычно называется "tristate" (т.е. третье состояние, вдобавок к двоичным 1 и 0).
18. Интерфейс RS-485
Интерфейс RS -485 является наиболее распространенным в про¬мышленной автоматике. Его используют промышленные сети Моdbus, Ргоfibus и тд. Основными его достоинствами являются:
• двусторонний обмен данными всего по одной витой паре проводов;
• работа с несколькими трансиверами, подключенными к одной и той же линии, т.е. возможность организации сети;
• большая длина линии связи;
• достаточно высокая скорость передачи.
Принципы построения
Для минимизации чувствительности линии передачи к электромагнитной наводке используется витая пара проводов. Токи, наводимые в соседних вит¬ках вследствие явления электромагнитной индукции взаимно компенсируют¬ся.
Дифференциальная передача сигнала.
Приемники сигнала являются дифференциальными, т.е. воспринимают только разность между напряжениями на линии
В основе построения интерфей¬са RS -485 лежит дифференциальный способ передачи сигнала, когда напряже¬ние, соответствующее уровню логической единицы или нуля, отсчитывается не от «земли», а измеряется как разность потенциалов между двумя переда¬ющими линиями: Dаtа+ и Dаtа— => помехи равны нулю
При этом напряжение каждой линии относительно «земли» не должно выхо¬дить за диапазон -7...+12 В.
При разно¬сти напряжений более 200 мВ, до +12 В считается, что на линии установлено значение логической единицы, при напряжении менее -200 мВ, до -7 В — логического нуля. Дифференциальное напряжение на выходе передатчика в соответствии со стандартом должно быть не менее 1,5В.
Выбросы защищают от искажений логические «0» и «1»
«Третье» состояние выходов. Второй особенностью передатчика D интерфейса RS-485 является возможность перевода выходных каскадов в «третье» (высокоомное) состояние сигналом DЕ (Driver Еnаble). Наличие третьего состояния позволяет осуществить полудуплексный обмен между любыми двумя устройствами, подключенными к линии, всего по двум проводам.
Четырехпроводной интерфейс. Интерфейс RS-485 имеет две версии: двухпроводную и четырехпроводную. Двухпроводная используется для полу¬дуплексной передачи когда информация может передаваться в обоих направлениях, но в разное время. Для полнодуплексной (дуплексной) переда¬чи используют четыре линии связи: по двум информация передается в одном направлении, по двум другим — в обратном.
Недостатком четырехпроводной схемы является необходимость жесткого указания ведущего и ведомых устройств на стадии проектирования системы, в то время как в двухпроводной схеме любое устройство может быть как в роли ведущего, так и ведомого. Достоинством четырехпроводной схемы является возможность одновременной передачи и приема данных, что бывает необходимо при реализации некоторых сложных протоколов обмена.
Режим приема эха. Если приемник передающего узла включен во вре¬мя передачи, то передающий узел принимает свои же сигналы. Этот режим называется «приемом эха» - слушать не начали ли два передатчика работать
Топология сети на основе интерфейса RS-485
При скорости больше 9600 бит/с, то необходимо использовать топологию- шина, так как в противном случае будет происходить отражение.
19 Интерфейсы «токовая петля».
Позволяет определить исправна ли линия связи, в передатчике используется не источник напряжение (как в RS-485), а тока.
Разновидности: 0…60мА – 1950 г
0…20мА – 1962 г
4…20мА – 1980 г
По определению, ток, вытекающий из источника тока, не зависит от параметров нагрузки. Поэтому в «токовой пет¬ле» протекает ток, не зависящий от сопротивления кабеля Rкаб, сопротивления нагрузки Rн, и э.д.с. индуктивной помехи ЕИНД, Ток в петле может измениться только вследствие утечек кабеля, которые очень малы.
Это свойство токовой петли является основным и определяет все варианты ее применения.
В качестве линии передачи обычно используется экранированная витая па¬ра, которая совместно с дифференциальным приемником позволяет ослабить индуктивную и синфазную помеху.
На приемном конце ток петли преобразуется в напряжение с помощью ка¬либрованного сопротивления Rн. Основным недостатком «токовой петли» является ее принципиально низкое быстродействие, которое ограничивается скоростью заряда емкости кабеля Скаб от источника тока. Вторым недостатком «токовой петли», ограничивающим ее практическое применение, является отсутствие стандарта на конструктивное исполнение разъемов и электрические параметры, хотя фактически стали общеприняты¬ми диапазоны токовых сигналов 0...20 и 4...20 мА; гораздо реже используют 0...60 мА.
Интерфейс «токовая петля» распространен в двух версиях: цифровой и аналоговой.
Аналоговая «токовая петля». Аналоговая версия «токовой петли» ис¬пользуется, как правило, для передачи сигналов от разнообразных датчиков к контроллеру или от контроллера к исполнительным устройствам. Приме¬нение «токовой петли» в данном случае дает два преимущества. Во-первых, приведение диапазона изменения измеряемой величины к стандартному диапазону обеспечивает взаимозаменяемость компонентов. Во-вторых, становится возможным передать сигнал на большое расстояние с высокой точностью.
В варианте «4...20 мА» в качестве начала отсчета принят ток 4 мА. Это позволяет производить диагностику целостности кабеля (кабель имеет разрыв, если ток равен нулю) в отличие от варианта «0...20 мА», где величина 0 мА может означать не только нулевую величину сигнала, но и обрыв кабеля. Вто¬рым преимуществом уровня отсчета 4 мА является возможность подачи энер¬гии датчику для его питания.
В схемах используется гальваническая развязка между вхо¬дом передатчика и передающим каскадом. Она необходима для исключения паразитных связей между передатчиком и приемником
Цифровая «токовая петля»
Пропорциональность необязательна, главное, чтобы амплитуда тока не выходила за пределы.
Оптрон- преобразователь электрического сигнала в свет, его передаче по оптическому каналу и последующем преобразовании обратно в электрический сигнал.
20 Промышленная сеть Profibus.
Слово PROFIBUS получено из сокращений PROcess Field BUS-«промышленная шина для технологических процессов. Стандарт Profibus был первоначально принят в Германии в 1987 г., в 1996 г. он стал международным (ЕN 50170 и ЕN 50254).
Profibus имеет три модификации: Profibus DP, Profibus FMS H Profibus PA.
Profibus DP (Profibus for Decentralized Peripherals — Profibus для децентрализованной периферии) использует уровни 1 и 2 модели ОSI, а также пользовательский интерфейс, который в модель ОSI не входит.
Profibus FMS (Profibus c FMS -протоколом) использует уровень 7 модели ОSI и применяется для обмена данными с контроллерами и компьютерами на регистровом уровне. Profibus FMS предоставляет большую гибкость при пере¬даче больших объемов данных, но проигрывает протоколу DP в популярности своей сложности.
Profibus PA (Profibus for Process Automation — для автоматизации тех¬нологических процессов) использует физический уровень на основе стандар¬та IЕС 1158-2, который обеспечивает питание сетевых устройств через шину и не совместим с RS-485. Особенностью Profibus PA является возможность работы во взрывоопасной зоне.
Profibus является многомастерной сетью (с несколькими ведущими устройствами). Физический уровень На физическом уровне Profibus DP используют стандарт RS-485 при скорости передачи до 12 Мбит/с и с размерами сегментов сети до 32 устройств. Количество устройств можно увеличить с помощью повторителей интерфейса. Для увеличения дальности передачи в Profibus предусмотрена возможность работы с оптоволоконным кабелем.
Для передачи данных используется NRZ-кодирование и 11-битный формат.
Канальный уровень
Канальный уровень модели OSI B Profibus называется FDL-ypoвнем (Field-bus Data Link — промышленный канал связи). Объект МАС (Medium Access Control— управление доступом к каналу) на канальном уровне определяет процедуру передачи данных устройствами, включая управление правами на передачу данных через сеть.
В сети Profibus для доступа ведущих устройств к сети используется метод передачи маркера. В этом методе сеть имеет логическую топологию кольца (т.е. кольца на уровне адресов устройств), каждое ведущее устройство получает доступ к сети только при получении маркера. Существуют следующие методы работы:
1) методе «ведущий/ведомый» процедуру коммуникации с ведомыми устрой¬ствами выполняет мастер, который обладает маркером.
2)На время обладания маркером мастер становится ведущим также по отношению к другим мастерам, т.е. может выполнять с ними коммуникацию типа «мастер-мастер».
3)широковещательный режим работы, когда ведущее устройство посылает сообщение «всем», не ожидая уведомления о получении,
4) многоабонентский режим, когда ведущее устройство посылает одно и то же сообщение сразу нескольким участникам сети.
В сети могут использоваться устройства трех типов:
• DP мастер класса 1 (DPМ1) — центральный контроллер, который цик¬лически обменивается информацией с ведомыми устройствами с заранее определенным периодом;
• DP мастер класса 2 (DPМ2) — устройство, предназначенное для конфигу¬рирования системы, наладки, обслуживания или диагностики;
• ведомое устройство — устройство, которое выполняет сбор информации или выдачу ее исполнительным устройствам.
Коммуникационный профиль DP позволяет сконфигурировать как одномастерную, так и многомастерную сеть.
Передача сообщений. Profibus использует два типа сервисов для пере¬дачи сообщений: SRD (Send and Receive Data with acknowledge — отправка и прием данных с уведомлением) и SND (Send Data with No acknowledge — отправка данных без уведомления).
Сервис SRD позволяет отправить и получить данные в одном цикле об¬мена.
Сервис SND используется, когда надо отправить данные одновремен¬но группе ведомых устройств (многоабонентский режим) или всем ведомым устройствам (широковещательный режим). При этом ведомые устройства не отправляют свои уведомления мастеру.
Сообщение в Profibus называется телеграммой. Телеграмма может содер¬жать до 256 байтов, из них 244 байта данных, плюс 11 служебных байтов (за¬головок телеграммы).
21. Промышленная сеть Modbus.
Разновидностями Modbus являются протоколы ModbuS Plus— многомастерный протокол с кольцевой передачей маркера и Modbus ТСР, рассчитанный на использование в сетях Ethernet и Интернет.
Протокол Modbus имеет два режима передачи: RTU (Remote Terminal Unit — удаленное терминальное устройство) и ASCII. Стандарт предусматри¬вает, что режим RTU в протоколе Modbus должен присутствовать обязатель¬но, а режим ASCII является опционным.
Стандарт Modbus предусматривает применение физического интерфейса RS-485, RS -422 или RS -232. Наиболее распространенным для организации про¬мышленной сети является 2-проводной интерфейс RS -485. Для соединений точка-точка может быть использован интерфейс RS -232 или RS -422.
Модель ОSI протокола Modbus содержит три уровня: физический, канальный и прикладной
Сегмент сети, не содержащий повторителей интерфейса, должен допускать подключение до 32 устройств, Протокол Modbus предполагает, что только одно ведущее устройство (кон¬троллер) и до 247 ведомых (модулей ввода-вывода) могут быть объединены в промышленную сеть. Обмен данными всегда инициируется ведущим. Ведомые устройства никогда не начинают передачу данных, пока не получат запрос от ведущего. Ведомые устройства также не могут обмениваться данными друг с другом. Поэтому в любой момент времени в сети Modbus может происхо¬дить только один акт обмена.
Описание кадра (фрейма) протокола Modbus. В протоколе Modbus RTU сообщение начинает восприниматься как новое после паузы (тишины) на шине длительностью не менее 3,5 символов (14 бит), т.е. величина паузы в секундах зависит от скорости передачи.
Поле адреса всегда содержит только адрес ведомого устройства, даже в ответах на команду, посланную ведущим.
Структура данных в режиме RTU. В режиме RTU данные передаются младшими разрядами вперед.
По умолчанию в RTU режиме бит паритета устанавливают равным 1, ес¬ли количество двоичных единиц в байте нечетное, и равным 0, если оно чет¬ное. Такой паритет называют четным (еven раrity), а метод контроля назы¬вают контролем четности.
Контроль ошибок. В режиме RTU имеется два уровня контроля ошибок в сообщении: контроль паритета для каждого байта (опционно) и контроль кадра в целом с помощью СRС метода.
Прикладной уровень Modbus основан на запросах с помощью кодов функ¬ций. Код функции указывает ведомому устройству, какую операцию оно долж¬но выполнить.
Коды функций. Стандартом Modbus предусмотрены три категории ко¬дов функций: установленные стандартом, задаваемые пользователем и заре¬зервированные.
Коды функций являются числами в диапазоне от 1 до 127. Коды в диа¬пазоне от 65 до 72 и от 100 до 110 относятся к задаваемым пользователем функциям, в диапазоне от 128 до 255 коды зарезервированы для пересылки кодов ошибок в ответном сообщении. Код «О» не используется.
Коды ошибок используются ведомым устройством, чтобы определить, ка¬кое действие предпринять для их обработки
22. Промышленная сеть CAN
CAN (Controller Area Network) - последовательная шина, разработанная компаниями Bosch и Intel для автомобильной промышленности. В настоящее время она используется и в распределенных системах управления (а также и в других областях автоматизации и контроля) для объединения интеллектуальных датчиков, интеллектуальных приводов и высокоуровневых систем.
CAN - это шина с несколькими мастер-узлами на основе пары медных проводников. Скорость передачи данных по этой шине зависит от длины линии связи. На расстояния до 40 метров данные могут передаваться со скоростью 1 Мбит/с, при передаче на 1000 метров скорость падает до 50 Кбит/с.
CiA (CAN in Automation) - Ассоциация производителей и пользователей CAN - рекомендует пользоваться физическими каналами, удовлетворяющими международному стандарту ISO 11898. Кроме того, группа пользователей в CiA советует реализовывать в системах протокольный уровень CAN Applicaton Layer (CAL). Этот высокоуровневый протокол (на базе модели ISO/OSI), не зависящий от приложения, хотя и не определяет содержание передаваемых данных, всё же предоставляет стандартизированный сервис и протоколы для
1) передачи данных,
2) назначения идентификаторов,
3) управления сетью.
CANopen - это набор аппаратных профилей на базе CAL, ориентированных на специфичные прикладные области. Каждый профиль представляет собой книгу (около 120 страниц), в которой определяются стандартные интерфейсы связи с устройствами конкретного типа.
Существуют и другие CAN-протоколы,
например, DeviceNet и SDS –
Smart Distributed Systems
(оба разработаны в США).
23. Промышленный Ethernet
Соответствует стандарту IЕЕЕ 802.3.
Внедрению Ethernet в промышленность способствовали следующие его ка¬чества:
• высокая скорость передачи (до 10 Гбит/с) и соответствие требованиям жесткого реального времени при высоком быстродействии
• простота интеграции с офисными сетями, Интернетом и интранетом
• возможность организации многомастерных сетей;
• возможности по организации сетей самых разнообразных топологий;
Существуют четыре стандартные скорости передачи данных в сетях Ethernet по оптоволоконному кабелю и витой паре проводов: 10 и 100 Мбит/с, 1 и 10 Гбит/с.
Ethernet имеет несколько модификаций
ВАSЕ
10 T (Twisted pair) витая пара
100 F (Fiber optic) оптоволоконный
1G S (Short wavelength optic) оптический коротковолновый
10G L (Long wavelength) длинноволновый
C (short Copper cable) короткий медный кабель
X наличие блока кодирования на физическом уровне.
Отличительные признаки промышленного Ethernet:
• отсутствие коллизий и детерминированность поведения благодаря приме¬нению коммутаторов;
• индустриальные климатические условия;устойчивость к вибрациям;
• отсутствие вентиляторов в оборудовании;
• повышенные требования к электромагнитной совместимости;
• компактность, крепление на ДИН-рейку; удобное подключение кабелей;
• диагностическая индикация на панели прибора;
• электропитание от источника напряжения в диапазоне от 10 до 30 В;
• возможность резервирования;
• разъемы и оборудование со степенью защиты до 1Р67;
• защита от электростатических зарядов, электромагнитных импульсов, от превышения напряжения питания;
• полнодуплексная передача.
Физический уровень
Физический уровень состоит из среды передачи (оптический кабель или витая пара) и методов кодирования информации для каждой скорости пере¬дачи.
Методы кодирования. Наиболее распространенные в промышленной ав¬томатизации стандарты 10ВАSЕ-Т и 100ВАSЕ-ТХ используют манчестерский код для скорости передачи 10 Мбит/с и 4В/5В-кодирование в со¬четании с NRZI (NRZ inverted — инвертированный NRZI) для ско¬рости 100 Мбит/с.
Доступ к линии передачи-метод СSМА/СD выполняет прослушивание линии передачи (СS — Сarrier Sense), чтобы определить ее за¬нятость; обеспечивает доступ многим участникам сети к общей линии передачи (МА — Мultiple Ассеss) и обнаруживает коллизии в линии (СD — Соllision Detection). Если при прослушивании линии обнаружено, что она свободна, может начинаться передача данных. Если при прослушивании линии устройство обнаруживает, что во время ра¬боты его передатчика в линии имеются данные от других устройств (это состоя¬ние линии называется коллизией), то передача прекращается и возобновляется по истечении случайного промежутка времени.
Коммутатор представляет собой интеллектуальное мно¬гопортовое устройство, которое устанавливает физическую связь между дву¬мя Ethernet –устройствами- Сеть ока¬зывается разделена на независимые сегменты, в каждом из которых может происходить обмен информацией независимо от других. Это приводит к увели¬чению пропускной способности сети, снижению коэффициента загруженности, а также к устранению коллизий. Для выполнения задачи сегментирования сети коммутатор содержит таб¬лицу МАС-адресов сетевых устройств/ МАС-адрес (Ethernet-адрес) — это аппаратный, или физический адрес устройства (или сетевой карты) в сети.
Канальный уровень модели ОSI состоит из подуровня управления логиче¬ским соединением LLC (Logical Link Control) и подуровня доступа к физической линии передачи MAC (Media Access Control).
24. Беспроводные локальные сети промышленного назначения. Основные проблемы и пути их решения
Используются там, где невыгодно проводить кабельную систему.
Классы беспроводных сетей:
- сотовые сети WWAN,
- беспроводные локальные сети WLAN,
- беспроводные сети датчиков.
В промышленной автоматизации наибольшее распространение получили:
Bluetooth IEEE 802.15.1;
ZigBee IEEE 802.15.4;
Wi-Fi IEEE 802.11
Диапазон частот для промышленных, научных и медицинских целей ISM 2.4 ГГц.
Излучаемая мощность не превышает нескольких десятков мВт.
Каждый участник сети имеет определенную зону уверенного приема.
Причины проблем: интерференция, дифракция, преломление, отражение, рассеяние (переизлучение) и снижение мощности излучения при увеличении расстояния от источника, а также невозможность локализации радиоволн в ограниченном пространстве.
Основные проблемы:
1.Протокол CSMA/CD не гарантирует доставку сообщений за определенное время. Решение: протокол CSMA/CA (предотвращение коллизий).
2.Помехозащищенность: все сети сильно подвержены влиянию электромагнитных помех.
3.Надежность связи страдает при несвоевременной замене батареек, влияет интерференция радиоволн.
4.Ограниченная дальность связи (не более 100 м внутри помещения).
5.Резкое падение пропускной способности при увеличении количества одновременно работающих станций.
6.Безопасность: возможность утечки информации, незащищенность от искусственно создаваемых помех, возможность незаметного управления технологическим процессом враждебными лицами.
Широкополосная модуляция
Один из методов устранения влияния интерференции волн и узкополосных помех.
2 метода:
- DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum) – широкополосная модуляция с прямым расширением спектра,
- FHSS (Frequency Hopping Spread Spectrum) – широкополосная модуляция с перескоком с одной несущей на другую.
DSSS
Если один бит информации представить прямоугольным импульсом, то эффективная ширина спектра импульса будет обратно пропорциональна его длительности. В методе DSSS один прямоугольный импульс заменяют последовательностью из 11 импульсов, которые в 11 раз короче исходного. При этом эффективная ширина спектра такой последовательности импульсов оказывается в 11 раз шире, чем у исходного одиночного импульса (бита), для Wi-Fi сетей составляет 22 МГц. Энергия сигнала оказывается «размазанной» по всему спектру, спектральная плотность мощности сигнала оказывается в 11 раз меньше, если измерять ее в той же полосе частот, которую занимал первоначальный прямоугольный импульс. Практически мощность передатчика для диапазона 2,4 ГГц выбирают так, чтобы спектральная плотность полезного сигнала была сравнима с спектральной плотностью шума.
FHSS
Используется тот же диапазон 2,4 ГГц шириной 83,5 МГц, в котором выделяется 79 неперекрывающихся частотных полос по 1 МГц каждая. В процессе передачи частота несущей изменяется скачкообразно. Частота переходов с одной несущей на другую: для Wi-Fi – не менее 4 Гц, для Bluetooth – 1,6 кГц. Для приема такого сигнала приемник и передатчик содержат таблицы, в которых занесена одна и та же последовательность смены каналов. При таком способе передачи узкополосные помехи приводят к потере только тех фрагментов сообщений, которые передаются на частоте помехи, т.е. фактически только к увеличению времени передачи за счет повторной передачи испорченных фрагментов.
Переход с одной частоты на другую уменьшает вероятность взаимного влияния при совместной работе нескольких передатчиков в сети, поскольку при 79 частотах вероятность совпадения частот двух работающих станция очень низка. Поэтому метод FHSS позволяет использовать большое количество одновременно работающих станций в сети (до 15 передатчиков). FHSS обеспечивает скорость передачи 1 и 2 Мбит/с.
Проблема скрытого узла:
Предположим, станция А передает сообщение станции В. В это время станция С прослушивает эфир и не слышит несущую, поскольку находится вне зоны действия станции А. Станция С начинает передачу одновременно со станцией А, что приводит к по
2.
3.
4. Понятие микропроцессорной системы. Области применения микропроцессорных систем управления.
5. Обобщенные цели управления производственными процессами и техническими объектами.
6. Принципы управления. Классификация систем управления.
7. ПИД-регулятор и его модификации.
8. Особенности реализации ПИД-регуляторов.
9. Дискретная форма ПИД-регуляторов.
10. Критерии качества систем управления с ПИД-регуляторами.
11. Принципы настройки параметров ПИД-регуляторов.
12. Нечеткая логика в ПИД-регуляторах.
13. Применение искусственных нейронных сетей для настройки ПИД-регуляторов.
14. Применение генетических алгоритмов для настройки ПИД-регуляторов.
15. Основные компоненты микропроцессорных систем управления.
16. Архитектура микропроцессорных систем управления. Требования к архитектуре.
17. Разновидности архитектуры микропроцессорных систем управления: система с общей шиной, многоуровневая архитектура.
18. Уровни иерархии современных АСУ. Применение Интернет-технологий в микропроцессорных системах управления.
19. Особенности и основные разновидности промышленных сетей.
20. Основные физические интерфейсы промышленных сетей.
21. Интерфейс RS-485.
22. Интерфейсы «токовая петля».
23. Промышленная сеть Profibus.
24. Промышленная сеть Modbus.
25. Промышленная сеть CAN.
26. Промышленный Ethernet.
27. Беспроводные локальные сети промышленного назначения. Основные проблемы и пути их решения. Методы широкополосной модуляции.
28. Беспроводные промышленные сети Bluetooth.
29. Беспроводные промышленные сети ZigВее.
30. Беспроводные промышленные сети Wi-Fi.
31. Понятие программируемого логического контроллера. Основные типы ПЛК.
32. Архитектура программируемого логического контроллера.
33. Основные характеристики программируемых логических контроллеров.
34. Применение компьютеров в системах автоматизации.
35. Развитие программного обеспечения средств автоматизации.
36. Системы программирования на языках МЭК 61131-3.
37. Программирование на языках МЭК 61131-3: язык релейно-контактных схем.
38. Программирование на языках МЭК 61131-3: список инструкций, структурированный текст.
39. Программирование на языках МЭК 61131-3: диаграммы функциональных блоков.
40. Программирование на языках МЭК 61131-3: последовательные функциональные схемы.
41. Программное обеспечение для поддержки языков МЭК 61131-3.
42. Понятие ОРС-сервера. Основные разновидности ОРС-серверов.
43. Сервер OPC DA. Обмен информацией в системах автоматизации с OPC DA сервером.
44. Спецификация OPC UA для обмена информацией в системах автоматизации.
45. Пользовательский интерфейс в системах автоматизации. SCADA-пакеты.
46. Понятия точности, разрешающей способности, порога чувствительности измерительного канала.
47. Виды погрешностей измерительных каналов.
48. Основные функции SCADA. Программное обеспечение SCADA.
49. Измерительные каналы в системах автоматизации. Основные понятия.
50. Динамические измерения. Теорема Котельникова.
51. Виды и назначение фильтров в измерительных каналах.
52. Динамические погрешности при различных видах сигналов в измерительном канале.
53. Номенклатура устройств ввода-вывода микропроцессорных систем управления.
54. Модули ввода аналоговых сигналов в микропроцессорных системах управления.
55. Модули вывода аналоговых сигналов в микропроцессорных системах управления.
56. Модули ввода и вывода дискретных сигналов в микропроцессорных системах управления.
57. Модули ввода частоты, периода и счета импульсов в микропроцессорных системах управления.
58. Модули управления движением в микропроцессорных системах управления.
59. Микроконтроллеры – назначение, общая архитектура, история развития, основные серии.
60. Микроконтроллеры Intel 8051.
61. Микроконтроллеры PIC.
62. Микроконтроллеры AVR.
63. Аппаратная вычислительная платформа Arduino
1.Понятие микропроцессорной системы. Области применения микропроцессорных систем управления.
Микропроцессорная система (МПС) – это техническое программное средство, представляет собой функционально закончен-ное изделие, состоящее из одного или нескольких устройств, главным образом микро¬процессорных: микропроцессора и/или микроконтроллера.
Микропроцессорное устройство (МПУ) представляет собой функционально и кон¬структивно законченное изделие, состоящее из нескольких микросхем, в состав которых входит микропроцессор; оно предназначено для выполнения определенного набора фун¬кций: получение, обработка, передача, преобразование информации и управление.
Микропроцессор (МП) -программно-управляе¬мое устройство, осуществляющее процесс цифровой обработки информации и управле¬ния им и реализованное на одной большой или сверхбольшой интегральной схеме.
Опера¬тивное запоминающее устройство (ОЗУ) служит для хранения выполняемой программы и данных, подлежащих обработке. В простейших микропроцессор¬ных системах объем ОЗУ составляет десятки и сотни байт.Постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) служит для хранения констант и стан¬дартных (неизменяемых) программ. В ПЗУ обычно записываются программы начальной инициализации (загрузки) систем, тестовые и диагностические программы и другое слу-жебное программное обеспечение, которое не меняется в процессе эксплуатации сис¬тем. Микроконтроллеры являются специализированными микропроцессорами, которые ориентированы на реализацию устройств управления, встраиваемых в разнообразную аппаратуру. Термин «микроконтроллер» (МК) вытеснил из употребления ранее использовавший¬ся термин «однокристальная микроЭВМ». Характерной особенностью структуры микроконтроллеров является размещение на одном кристалле с центральным процессором внутренней памяти и большого набора периферийных устройств. МП в настоящее время преимущественно используются для производства персональ¬ных ЭВМ, а МК являются основой создания различных встраиваемых систем, теле¬коммуникационного и портативного оборудования и т. д. Применение МПС: автомобиль(руль, мотор)
.Области использования МК.Значение критерия:
1) Мало данных - мало вычислений. Характеристика задач: Задачи логического управления неслож¬ными объектами и процессами. Разрядность МК/ производительность: 8/Низкая
2) Мало данных - много вычислений. Характеристика задач: Локальные регуляторы, системы управ¬ления электрическими двигателями, под¬вижными аппаратами, различными элект¬рическими агрегатами, роботами-мани¬пуляторами, станками, портативное обо¬рудование и т. д. Разрядность МК/ производительность: 16/Средняя
3) Много данных - мало вычислений. . Характеристика задач: Многие сетевые задачи, системы управ¬ления потоками данных, коммутаторы, концентраторы, маршрутизаторы и т.п. . Разрядность МК/ производительность: 32/Высокая
4) Много данных - много вычислений. Характеристика задач: Задачи управления реального времени, обработка сигналов с интенсивным об¬меном, системы распознавания речи, изображений и т. п. Разрядность МК/ производительность: 32/ Сверхвысокая
2.Обобщенные цели управления производственными процессами и техническими объектами.
Под управлением понимается целенаправленное воздействие на объект , на основе имеющейся информации. Система управления представляет собой совокупность устройств управления и операционных устройств. В настоящее время СУ представляет собой многоуровневые средства переработки информации.
Основные цели управления:
1. Планирование и практическое управление объектами (предполагается достижение цели в производстве за счет определения оптимального перечня работ, последовательности их выполнения, четких графиков поставки сырья, комплектующих, своевременный ремонт и ввод оборудования);
2. Улучшение взаимодействия и повышение производительности (осуществляется за счет координации и согласования работ, введения новых технологий и оборудования, своевременной реакции на возникающие отклонения);
3. Снижение издержек производства за счет уменьшения брака путем своевременного автоматического контроля принятых решений, доработки технологических процессов и их усовершенствование;
4. Приспособление и учет требований рынка сбыта (включает маркетинговый анализ, прогнозирует дальнейшие возможности сбыта продукции, гибкое реагирование на изменение требований к результатам функционирования производства).
Эффективное достижение поставленных целей предполагает объединение АСУ в единую информационную сеть, разбиение ее на ряд автономно обособленных связанных составляющих, наделенных своими функциями под управлением вышестоящих звеньев. В каждом из этих звеньев могут присутствовать микропроцессорные системы обработки информации и формирования сигналов на выполнение операций.
3.Принципы управления. Классификация систем управления.
Различают три принципа управления:
- Управление в разомкнутой схеме – используются в станках с числовым программным управлением, где результат воздействия четко определен и ошибка в получении результата минимальна. Получаемые системы простые и дешевые, однако они не обладают некоторыми свойствами, такими как адаптация, обучение и изменение законов с учетом внешних воздействий. Нет обратной связи, не виден результат выполнения.
пример: токарный станок
- Управление с помощью обратной связи замкнутой системы – этот принцип применяется в случае неполной информации об объекте управления, о наличии возмущающих воздействий, приводящих к неточному результату или существенному отклонению.
E(t)=X(t)-Y(t)- сообщение об ошибке
Преимущество: осуществляется работа в режиме помех.
Недостаток: наличие запаздывания, когда при отклонении от цели возникает необходимость его коррекции, на которую требуется время.
С этой целью необходим контроль и средство контроля, что усложняет и удорожает систему
- Комбинированное управление – используется принцип разомкнутой и одновременно замкнутой системы.
R(t)- сигнал программы управления; УП- устройство планирования; УУ- устройство управления; U(t)-управляющее воздействие
Все системы управления классифицируются следующим образом:
1) Система с ручным управлением
Пример: управление автомобилем. До 45% действий оператор выполняет вручную.
СОИ- система отображения информации
2) Автоматизированные системы управления (АСУ)
90% операций автоматизировано. Оператор осуществляет все действия по включению, контролю и т. д.
3) Система автоматического управления (САУ)
Оператор определяет лишь цель, все остальное автоматически. Пример: кондиционер.
4.ПИД-регулятор и его модификации.
ПИД-регулятор использует пропорционально-интегрально-дифференци¬альный закон регулирования. ПИД-регулятор был изобретен еще в 1910 г.; позже, в 1942 г., Зиглер и Никольс разработали методику его настрой¬ки, а после появления микропроцессоров в 80-х годах развитие ПИД- регуляторов происходит нарастающими темпами.
Классический ПИД-регулятор:
ПИД-пропорционально-интегрально дифференцирующий регулятор
Простейшая система автоматического регулирования с обратной связью:
блок R- регулятор; Р — объект регулирования,
г — управляющее воздействие, е — сигнал рассогласования или ошибки, u— выходная величина регулятора, у — регулируемая величина.
Если выходная переменная u описывается выражением:
где t — время; К, Ти, Тд — пропорциональный коэффициент, постоянная инте¬грирования и постоянная дифференцирования регулятора, то такой регулятор называют ПИД-регулятором.
В частном случае пропорциональная, интегральная или дифференциаль¬ная компоненты могут отсутствовать и такие упрощенные регуляторы назы¬вают П-, И- или ПИ-регуляторами.
Таким образом, передаточная функция ПИД-регулятора имеет вид:
П-регулятор
Пусть интегральная и дифференциальная компоненты отсутствуют, т.е. Тд = 0, Ти = ∞. Тогда получим R(s)= К и уравнение системы автома¬тического управления примет вид:
В установившемся режиме, при t —►∞, передаточная функция процесса P(s) равна коэффициенту передачи Кр. При этом выра¬жение преобразуется к виду:
При пренебрежимо малых помехах и внешних возмущениях погрешность П-регулятора δу определяется пропорциональным ко¬эффициентом усиления:
Эта погрешность обычно не может быть сделана как угодно малой путем увеличения усиления К регулятора.
И-регулятор
Рассмотрим случай, когда в ПИД-регуляторе остается только инте¬гральный член, т.е. К = 0 и Тд = 0
АЧХ:
ФЧХ:
Рис.Переходная характеристика замкнутой системы с И-регулятором и объектом второго порядка вида:
Статической ошибки нет. При некоторых значениях система может быть неустойчива, нужна хорошая настройка.
ПИ-регулятор
В ПИ-регуляторе только постоянная дифференцирования равна нулю, Тд = 0:
5.Особенности реализации ПИД-регуляторов
ПИД-регулятор и его модификации являются теоретиче¬скими идеализациями реальных регуляторов, поэтому для их практического воплощения необходимо учесть особенности, порождаемые реальными услови¬ями применения и технической реализации. К таким особенностям относятся:
1.конечный динамический диапазон изменений физических переменных в си¬стеме (ограниченная мощность нагревателя)
2.ограниченная точность измерений, что требует специальных мер для вы¬полнения операций дифференцирования с приемлемой погрешностью;
3.наличие практически во всех системах типовых нелинейностей: насыщение, ограниче¬ние скорости нарастания, гистерезис и люфт;
4.технологический разброс и случайные вариации параметров регулятора и объекта;
5.дискретная реализация регулятора;
6.необходимость плавного (безударного) переключение режимов регулиро¬вания.
Методы решения перечисленных проблем:
1.Погрешность дифференцирования и шум
Суть проблемы заключает¬ся в том, что производная вычисляется обычно как разность двух близких по величине значений функции, поэтому относительная погрешность производной всегда оказывается больше, чем относительная погрешность численного пред¬ставления дифференцируемой функции.
В частности, если на вход дифференциатора поступает синусоидальный сигнал Asin(wt), то на выходе получим Acos(wt), т.е. с ростом частоты и уве¬личивается амплитуда сигнала на выходе дифференциатора. Иначе говоря, дифференциатор усиливает высокочастотные помехи, короткие выбросы и шум. Если помехи, усиленные дифферен¬циатором, лежат за границей рабочих ча¬стот ПИД-регулятора, то их можно осла¬бить с помощью фильтра верхних частот.
Кроме шумов дифференцирования, на характеристики ПИД-регулятора влияют шумы измерений. Через цепь обратной связи эти шумы поступают на вход системы и затем проявляются как дисперсия управляющей перемен¬ной и. Высокочастотные шумы вредны тем, что вызывают ускоренный износ трубопроводной арматуры и электродвигателей.
2.Погрешности интегрирования
Интегральное насыщение возникает в процессе выхода системы на режим в регуляторах с ненулевой постоянной интегрирования Ти ≠0. Инте¬гральное насыщение приводит к затягиванию переходного процесса.
Аналогичный эффект возникает вследствие ограничения пропорциональ¬ного и интегрального члена ПИД-регулятора
Суть проблемы интегрального насыщения состоит в том, что если сигнал на входе объекта управления u(t) вошел в зону насыщения (ограничения), а сигнал рассогласования r(t) – y(t) не равен нулю, интегратор продолжает интегрировать, т.е. сигнал на его выходе растет, но этот сигнал не участвует в процессе регулирования и не воздействует на объект вследствие эффекта на¬сыщения.
W1-верхнее насыщение; w2-нижнее
3.Безударное переключение режима
Может возникнуть такая ситуация, когда в работающей системе потребовалось после ручного управления систе¬мой перейти на автоматический режим. Могут появиться нежелательные выбросы регулируемой величины, если не принять специальных мер. Поэтому возникает задача плавного («безударного») пере¬ключения режимов работы или параметров регулятора.
Основной метод решения проблемы заключается в построении такой струк¬туры регулятора, когда изменение параметра выполнятся до этапа интегри¬рования.
6.Дискретная форма ПИД-регуляторов.
Непрерывные переменные удобно использовать для анализа и синтеза ПИД-регуляторов. Для технического воплощения необходимо перейти к дис¬кретной форме уравнений.
Основным эффектом, который появляется при дискретизации является появление алиасных(ложных) частот в спектре квантованного сигнала в случае, когда частота дискретизации недо¬статочно высока. Аналогичный эффект возникает при киносъемке вращаю¬щегося колеса автомобиля. Частота алиасного сигнала равна разности между частотой помехи и частотой дискретизации. При этом высокочастотный сиг¬нал помехи смещается в низкочастотную область, где накладывается на по-лезный сигнал и создает большие проблемы, поскольку отфильтровать его на этой стадии невозможно.
Для устранения алиасного эффекта перед входом аналого-цифрового пре¬образователя необходимо:
1) установить аналоговый фильтр, который бы ослаб¬лял помеху по крайне мере на порядок на частоте, равной половине частоты дискретизации.
2) увеличение частоты квантования так, чтобы она по крайней мере в 2 раза была выше максимальной частоты спектра помехи. fкв>2fnmax; fn>>femax
Переход к дискретным переменным в уравнениях аналогового регулятора выполняется путем замены производных и интегралов их дискретными аналогами.
Существует другая форма-инкрементная. Часто используют уравнение ПИД- регулятора в виде зависимости приращения управляющей величины от ошиб¬ки регулирования и ее производных (без интегрального члена). Такое пред¬ставление удобно, когда роль интегратора выполняет внешнее устройство, на¬пример двигатель.Позволяет сформировать значение управления в виде приращения управляющих воздействий. Инкрементная форма ПИД-регулятора получается путем дифференциро¬вания уравнения
7. Критерии качества систем управления с ПИД-регуляторами
Перед тем как рассчитывать параметры регулятора, необходимо сформу¬лировать цель и критерии качества регулирования. Основ¬ные качественные показатели формулируются исходя из требований к форме реакции замкнутой системы на ступенчатое изменение уставки. Для полного описа¬ния или тестирования системы с ПИД-регулятором нужен ряд показателей качества:
Качество регулирования
Выбор критерия качества регулирования зависит от цели, для которой ис¬пользуется регулятор. Такой целью может быть:
1.поддержание постоянного значения параметра (например, температуры);
2.слежение за изменением уставки или программное управление;
3.управление демпфером в резервуаре с жидкостью и т.д.
Для той или иной задачи наиболее важными могут быть следующие фак¬торы:
1.форма отклика на внешнее возмущение (время установления, перерегули¬рование, коэффициент затухания и др.);
2.форма отклика на шумы измерений;
3.форма отклика на сигнал уставки;
4.робастность по отношению к разбросу параметров объекта управления;
5.требования к экономии энергии в управляемой системе;
6.минимум шумов измерений и др.
Для классического ПИД-регулятора параметры, которые являются наи¬лучшими для слежения за уставкой, в общем случае отличаются от парамет¬ров, наилучших для ослабления влияния внешних возмущений. Для того что¬бы оба параметра одновременно были оптимальными, необходимо использовать ПИД-регуляторы с двумя степенями свободы .
1)Ослабление влияния внешних возмущений.
Внешние возмущения могут быть приложены к объекту в самых разных его частях, когда конкретное место неизвестно, считают, что возмущение воздействует на вход объекта. В этом случае отклик системы на внешние возмущения определяется передаточной функцией:
2)Ослабление влияния шумов измерений. Критерии качества во временной области. Для оценки качества ре¬гулирования в замкнутой системе с ПИД-регулятором обычно используют сту¬пенчатое входное воздействие и ряд критериев для описания формы переход¬ного процесса :
1.интегрированная абсолютная ошибка
2.интеграл от квадрата ошибки
-декремент затухания d
- статическая ошибка
- время установления Те с заданной погрешностью е3
- перерегулирование еmax
- время нарастания Тг
- период затухающих колебаний Тр.
Частотные критерии качества
В частотной областе обычно используются следующие критерии, получаемые из графика амплитудно-частотной ха-рактеристики замкнутой системы у(w) :
1)полоса пропускания
2)колебательность М
3)резонансная частота системы
Частотные критерии у реальных регуляторов не могут быть однозначно связаны с временными критериями из-за нелинейностей и алгоритмов устранения эффекта интегрального насы¬щения. Однако приближенно можно установить следующие зависимости между критериями в частотной и временной области :
Trw0,7 « 2
Частота максимума передаточной характеристики замкнутой системы при¬близительно соответствует периоду затухающих колебаний отклика на сту¬пенчатое входное воздействие: wз≈ 2π/Тр;
Чем медленнее затухают колебания, там больше показатель колебатель¬ности М.
8.Принципы настройки параметров ПИД-регуляторов.
Методы выбора параметров регулятора:
1)аналитический
Определяются величины k, Ти, Tg.Показатели качества делятся на 2 группы в зависимости от от того в каких целях применяются:
1) система стабилизации содержит объект регулирова¬ния и регулятор , ох¬ваченные обратной связью . Автоматиче¬ская система стабилизации ре¬гулирует физическую вели¬чину при изменении настройки .
Уставка- заданное постоянное значение, управляющее воздействие.
2) Следящие системы, также как и системы стабилизации со¬держат объект регулирования и регулятор, охваченные обратной связью. Отличие следящих систем заключается в том, что они управляют физической величиной при изменении настройки.
2) Упрощенный аналитический метод
Заключается в том что все коэффициенты считаются по аналитическому, но они упрощены по 1 или 2 величинам. Используется переходная функция ОУ в виде звена первого порядка.
3) Ручная регулировка.После расчета параметров регулятора желательно сделать его подстройку. Подстройку можно выполнить на основе правил, которые используются для ручной настройки:
1.увеличение пропорционального коэффициента увеличивает быстродейст¬вие и снижает запас устойчивости;
2.увеличение коэффициента интегральной составляющей приводит к возрастанию стат. ошибки, запас устойчивости уменьшается, увеличивается max ошибка.;
3.уменьшение постоянной интегрирования уменьшает запас устойчивости;
4.увеличение дифференциальной составляющей увеличивает запас устойчи¬вости и быстродействие.
4)Нахождение оптимальных коэффициентов регулятора
Выбирается критерий минимизации, в качестве которого может быть один из показателей качества. К критерию добавляются ограничения, накладываемые требованиями робастности. Таким путем получается критериальная функция, зависящая от параметров ПИД-регулятора.
Yопт= f(k,Ти,Тд)
Далее используются численные методы миними¬зации критериальной функции с заданными ограничениями, которые и позво-ляют найти искомые параметры ПИД-регулятора.
Должна быть сформулирована система ограничений(СО).
5)Автонастройка (адаптация). Система строится в виде адаптивной СУ, где вводится дополнительный контур адаптации. Автонастройка может выполняться полностью автоматически и по требо¬ванию, когда человек является инициатором настройки.
6) Табличное управление. Является разновидностью адаптивного управления, разница в том, что упрощена система идентификации объекта. Принцип табличного управления очень прост. Зная заранее возможные изменения режима работы системы, выполняют идентификацию объекта для нескольких разных режимов и для каж¬дого из них находят параметры регуля-тора. Значения этих параметров запи¬сывают в таблицу. В процессе функционирования системы измеряют параметры, которые характеризует режим рабо¬ты системы и в зависимости от их значений выбирают из таблицы коэффициенты ПИД-регулятора.
7)Принципы интеллектуального управления. ПИД-регуляторы имеют плохие показатели качества при управлении нелинейными и сложными системами, а также при недостаточной информации об объекте управления. Характеристики регуляторов можно улучшить с помощью: 1) методов нечеткой логики; 2)нейронных сетей; 3) генетических.
9. Нечеткая логика в ПИД-регуляторах
Используется при недостаточном знании объекта управления, но при наличии опыта управления им, когда по усло¬вию задачи необходимо использовать знания эксперта. Примером может быть доменная печь. ПИД-регуляторы с нечеткой логикой в настоящее время используются в коммерческих системах для наведения телекамер при трансляции спортивных событий, в системах кондиционирования воздуха, при управлении автомобиль¬ными двигателями;
Поскольку информация, полученная от оператора, выражена словесно, для ее использования в ПИД-регуляторах применяют и аппарат теории нечетких множеств, который был разработан JI. Заде в 1965 г. Основная идея этой теории состоит в следующем. Вводится понятие функ¬ции принадлежности, которая характеризует степень принадлежности элемен¬та множеству.
Нечеткая логика в ПИД-регуляторах используется дву¬мя путями: 1) для построения регулятора; 2) для организации подстрой¬ки коэффициентов ПИД-регулятора.
10. Применение искусственных нейронных сетей для настройки ПИД-регуляторов. Нейронные сети используются в ПИД-регуляторах двумя путями: для построения регулятора и для построения блока на¬стройки его коэффициентов. Нейронная сеть обладает способностью «обучать¬ся», что позволяет использовать опыт эксперта для обучения нейронной сети настройки коэффициентов ПИД-регулятора.
При использовании ней¬ронной сети от эксперта не требуется формулировка правил — достаточно, чтобы он несколько раз сам настроил регулятор в процессе «обучения» ней¬ронной сети.
Нейронная сеть состоит из множества связанных между собой нейронов. нейрон представляет собой функциональный блок с одним выходом у и n входами x1,x2…xn.
Нейронная сеть будет выполнять роль функ¬ционального преобразователя, который для набора сигналов r, е, и, у вырабатывает коэффициенты ПИД-регулятора К,Тк,Тд. Самой сложной является процедура обучения. Для обучения нейронной сети обычно используют методы градиентного поиска минимума функции, зависящей от параметров нейронов.
11. Применение генетических алгоритмов для настройки ПИД-регуляторов.
Генетические алгоритмы основаны на принципах естественного отбора, сформулированных Дарвином в 1859 г. Идею генетических алгоритмов при¬менительно к решению математических задач сформулировал Дж. Холланд в 1962 г., используя понятия генов, хромосом, скрещивания, мутация, селекции, репродукции. Основной идеей является прямое подобие принципу естественно¬го отбора, когда выживают наиболее приспособленные особи.
Для применения генетических алгоритмов необходимо преобразовать пере¬менные, фигурирующие в условии задачи, в генетические переменные. Такое преобразование задается схемой кодирования. Переменные могут быть пред¬ставлены в двоичной форме, в форме действительных десятичных чисел. Классический генетический алгоритм состоит из следующих шагов:
1.Выбор исходной популяции хромосом размера N.
2.Оценка приспособленности хромосом в популяции.
3.Проверка условия остановки алгоритма.
4.Селекция хромосом.
5.Применение генетических операторов.
6.Формирование новой популяции. И снова переходим к пункту 2.
Нужно задать нижнюю и верхнюю границы изме¬нения искомых параметров, вероятность скрещивания, вероятность мутации, размер популяции и максимальное количество поколений.
12.Основные компоненты микропроцессорных систем управления.
Компоненты СУ должны включать в себя следующие устройства:
1.Контроллер- должен получать сигналы с датчиков, с другой стороны передавать сигналы на УУ с помощью которых осуществляется управление.
Чтобы осуществить соединение используются следующие стандартные модули:
1) измерительные преобразователи, подключаются к выходу каждого датчика.
2) Компенсация погрешностей датчиков. Многие датчики имеют погрешности, эту погрешность необходимо каким-либо образом компенсировать.
3)Все выходные сигналы датчиков должны быть преобразованы, а затем в цифровом виде пеерданы контроллеру.
2.Система сбора данных- задача собрать данные с датчиков и передать на контроллер.
3. Системы с несколькими АЦП получили название модуль аналогового ввода-это законченное изделие имеющее входы для подключения датчиков и есть возможность настройки. Если выходные сигналы появляются, то параллельный код модуль может быть подключен к устройствам которые понимают параллельный код LPT, ISA,PCI(параллельныепорты).Последовательные порты: RS-232, USB/D промышленные компьютерах применяются порты: RS-485, RS-422.
4. Модуль дискретного ввода (МДВв)
1)сигналы одиночные(от кнопки) 2) групповые сигналы- идет цифровой сигнал в виде . МДВв может определить период, частоту следования импульсов или подсчитать количество k; f=1/T. С выходной стороны компьютера будут разные виды ИМ, разные по принципу действия.
В Аналоговых ИМ входной сигнал должен иметь аналоговую форму ,и быть например 0…24 В или током 0…5А. Чтобы получить такие выходные сигналы требуется усилить мощность, а перед каждым усилением ставить преобразователь, который преобразует цифровой код с выходного компьютера в аналоговый сигнал. Есть разновидности по количеству ЦАП: 1) CHL-1 ЦАП-1 ком. аналоговый сигнал 2) CHL-ЦАП в канале- 1 ком. цифровой сигнал.
5.Двигатель постоянного тока(ДПТ)
w=f(Uλ)
ДПТ потребляет много тока.
13. Архитектура микропроцессорных систем управления. Требования к архитектуре.
Архитектура компьютерной системы — это наиболее абстрактное ее представление, которое включает в себя идеализированные модели компонен¬тов системы, а также модели взаимодействий между компонентами. Правильно спроектированная архитектура оставляет сво¬боду для выбора конкретных технических решений и допускает множество технических реализа¬ций путем выбора конкретных типов компонентов и методов взаимодей¬ствия между ними.
Элементами (компонентами) архитектуры являются модели (абстракции) датчиков, уст¬ройств ввода-вывода, измерительных преобразователей, ПЛК, компьютеров, интерфейсов, протоколов, промышленных сетей, исполнительных устройств, драйверов, каналов передачи информации.
Основные требования к архитектуре компьютерных систем управления:
1)слабая связанность элементов архитектуры между собой;
не должно быть такого
2)тестируемость (возможность установления факта правильного функци¬онирования);
3) диагностируемость (возможность нахождения неисправной части систе¬мы);
4)ремонтопригодность
5)надежность
6)простота обслуживания и эксплуатации
7)безопасность
8)защищенность системы от вандалов и неквалифицированных пользова¬телей;
9)экономичность
10)модифицируемость
11)функциональная расширяемость
12)наращиваемость (возможность увеличения размера автоматизированной системы при увеличении размера объекта автоматизации);
13)открытость (использование унифицированных протоколов обмена информацией);
14)возможность переконфигурирования системы для работы с новыми техно¬логическими процессами;
15)максимальная длительность жизненного цикла системы без существенного морального старения, достигаемая путем пери-одического обновления аппаратных и программных компонентов, а также путем выбора долгоживущих промышленных стандартов;
16) минимальное время на монтаж и пуско-наладку (развертывание) системы
Для того, чтобы спроектировать систему нужно произвести декомпозицию (деления на части) системы на подсистемы. Декомпозиция может быть функциональной (алго¬ритмической) или объектной.
14. Разновидности архитектуры микропроцессорных систем управления: система с общей шиной, многоуровневая архитектура.
Распределенные системы состоят из множества территориально раз¬несенных контроллеров и модулей ввода-вывода. Каждый контроллер работает со своей группой устройств ввода-вывода и обслуживает определенную часть объекта управления. Распределенную систему управления можно определить как систему, состоящую из множества устройств, разнесенных в пространстве, каждое из которых не зависит от остальных, но взаимодействует с ними для выполнения общей задачи.
Архитектура распределен¬ной системы промышленной автоматизации на основе общей шины:
Для того чтобы получить данные из модуля или контроллера, компьютер (или контроллер) посылает в шину его адрес и команду запроса данных. Микропроцессор, входящий в состав каждого модуля или контроллера, сверяет адрес на шине с его собственным адресом, записанным в ПЗУ, и, если адреса совпадают, исполняет следующую за адресом команду. Команда позволяет считать данные, поступающие на вход устройства, или установить необходимые данные на его выходе.
Недостатки: необходимость адресации устройств и необходимость ожидания в очереди, когда шина станет свободной - это замедляет скорость передачи данных. Задержка в сетях с большим ко¬личеством устройств становится существенным ограничением на применение топологии с общей шиной, а есть процессы, в которых задержки недопустимы.
Связь отдельных устройств в распределенной системе может осуществлять¬ся с помощью любой промышленной сети.
При увеличении сети, ее масштабности сеть с общей шиной не подходит, то применяют многоуровневую архитектуру, в которой много уровней и каждая имеет свою сеть.
Такая архитектура автоматизированной системы удобна при коллективной работе с системой ав¬томатизации или для связи технологического уровня АСУ с управленческим.
Доступ любого компьютера сети к устройствам ввода-вывода или контрол¬лерам осуществляется с помощью ОРС-сервера(сервер управления процессом). Основой программного обеспечения, установленного на компьютерах сети, являются SCADA-пакеты — программные средства диспетчерского управле¬ния и сбора данных(наглядность).
Системы управления с многоуровневой архитектурой обычно строятся по объектному принципу, когда структура системы выбирается подобной струк¬туре объекта автоматизации, а каждая подсистема является локальной, Объектный принцип построения позволяет упро¬стить проектирование многоуровневой системы и обеспечить ее структурную (архитектурную) надежность.
15. Уровни иерархии современных АСУ. Применение Интернет-технологий в микропроцессорных системах управления.
Открытой называется модульная система, которая допускает замену лю¬бого модуля на аналогичный модуль другого производителя, имеющийся в сво¬бодной продаже по конкурентоспособным ценам, а интеграция системы с други¬ми системами выполняется без преодоления чрез¬мерных проблем. Средства достижения открытости: промышленные сети и протоколы, интерфейсы, программные интерфейсы, интерфейсы пользователя:
Низший (нулевой) уровень включает в себя датчики и исполнительные устройства:
В настоящее время наметилась тенденция к использованию интеллектуальных датчиков, которые имеют цифровой интерфейс, встроенный микроконтроллер, память, сетевой адрес.
Первый уровень состоит из программируемых логических контроллеров и модулей аналого-цифрового и дискретного ввода-вывода, которые обменивают¬ся информацией по промышленной сети (Fieldbus) типа Моdbus RTU, Моdbus ТСР, Profibus и др. Иногда модули ввода-вывода выделяют в отдельный уро¬вень иерархии.
Второй (диспетчерский) уровень состоит из рабочих станций — ком¬пьютеров с человеко-машинным интерфейсом (ЧМИ, НМI — Нuman Масhine Interface), наиболее распространенными вариантами которого являются SCADA -пакеты. Диспетчер (оператор) осуществляет наблюдение за ходом техно¬логического процесса или управление им с помощью мнемосхемы на экране монитора компьютера. Права опе¬раторов устанавливаются средствами ограничения доступа сетевого сервера. Важной частью второго уровня являются также базы данных реального вре¬мени, являющиеся хранилищами информации и средством обмена с третьим уровнем иерархии системы управления.
Третий уровень (уровень управления цехом) появляется как средство инте¬грации системы АСУ ТП с АСУП — автоматизированной системой управления предприятием. АСУП в зависимости от размеров корпорации может включать еще более высокий (четвертый) уровень и обеспечивать интеграцию с высшим руководством, которое может быть расположено в различных странах и на разных континентах земного шара.
В последние годы большой интерес вызывало использование Интернет-технологий в задачах управления, причем не только на уровне корпоративного управления, но даже на уровне технологического оборудования. Для этих це¬лей используются Web-серверы, которые могут быть расположены как на обыч¬ных персональных компьютерах, так и непосредственно в контроллерах или мо¬дулях
ввода-вывода (так называемые микро-web-серверы). С помощью любого web-браузера можно управлять технологическими процессами, открыв на микро-web-сервере Интернет-страничку с мнемосхемой технологического процесса.
1) Когда часть компонентов системы автоматизации выходит за границы LAN и переходит на уровень глобальной сети WAN, стоимость каналов связи резко возрастает вследствие высоких тарифов на дальнюю телефонную связь. В этих условиях наиболее экономически выгодным оказывается применение Интернета. Стоимость его ниже благодаря коммутации пакетов, а не каналов - улучшить эффективность использования пропускной способности сети связи.
2) Применения Интернет-технологий в АСУ ТП является возможность использования на компьютере диспетчера любого веб-браузера.
3) Управление и мониторинг через Интернет могут осуществляться из любой точки земного шара с помощью компьютера или мобильного телефона (коммуникатора). (для высшего руководства, которое часто бывает в командировках, а также корпораций, имеющих подразделения в разных городах или странах.)
16 Особенности и основные разновидности промышленных сетей.
Обмен информацией между устройствами, входящими в состав автомати¬зированной системы (компьютерами, контроллерами, датчиками, исполнитель¬ными устройствами), происходит в общем случае через промышленную сеть.
Промышленные сети отличаются от вычислительных следующими свойствами:
1.специальным конструктивным исполнением, обеспечивающим защиту от пыли, влаги, вибрации, ударов;
2.широким температурным диапазоном (обычно от —40 до +70 °С);
3.повышенной прочностью кабеля, изоляции, разъемов, элементов крепле¬ния;
4.повышенной устойчивостью к воздействию электромагнитных помех;
5.возможностью резервирования для повышения надежности;
6.повышенной надежностью передачи данных;
7.возможностью самовосстановления после сбоя;
8.детерминированностью (определенностью) времени доставки сообщений;
9.возможностью работы в реальном времени (с малой, постоянной и извест¬ной величиной задержки);
10.работой с длинными линиями связи (от сотен метров до нескольких ки¬лометров).
В настоящее время насчитывается более 50 типов промышленных сетей (в России популярны Modbus, Profibus).
Все современные промышленные сети основаны на принципах:
1) имеется среда передачи данных(медные кабели, оптоволокно)
2) Взаимодействие устройств выполняется в соот¬ветствии с моделями взаимодействия
3) Соединение промышленной сети с ее компонентами выполняется с помощью интерфейсов. Сетевым интерфейсом называют логическую и (или) физическую границу между устройством и средой передачи информации.
4)Для обмена информацией взаимодействующие устройства должны иметь одинаковый протокол обмена. протокол — это набор пра¬вил, которые управляют обменом информацией. Обычно сеть использует несколько протоколов, образующих стек прото¬колов — набор связанных коммуникационных протоколов, которые функцио¬нируют совместно и используют некоторые или все семь уровней модели OSI.
Интерфейсы RS-232, RS-422, RS-485(наиболее применим)
Взаимодействие устройств в промышленных сетях выполняется в соот¬ветствии с моделями клиент-сервер или издатель-подписчик (производитель-потребитель).
В модели клиент-сервер взаимодействуют два объекта. Сер¬вером является объект, который выполняет некото¬рые действия по запросу клиента. Сеть может содержать несколько серверов и несколько клиентов. Эта модель удобна для передачи данных, которые появляются периодически или в заранее известное время, Однако неудобна для передачи случайно возникающих событий.
В модели взаимодействия издатель-подписчик имеется один издатель и множество подписчиков. Подписчик сообщаtт издателю на что он подписался. Издатель рассылает под¬писчикам запрошенную информацию.
Устройство, проявившее иници¬ативу в обмене, называют ведущим (Master). Устрой¬ство, которое отвечает на запросы мастера, называют ведомым (Slave).
В сети может быть одно или несколько ведущих устройств. Такие сети называются одномастерными или многомастерными соответственно.
17. Основные физические интерфейсы промышленных сетей.
Основные физические интерфейсы промышленных сетей:RS-232,RS-422иRS-485.
Описание их вспоминаем сами.
Интерфейс RS-232-C соединяет два устройства. Линия передачи первого устройства соединяется с линией приема второго и наоборот (полный дуплекс) Для управления соединенными устройствами используется программное подтверждение (введение в поток передаваемых данных соответствующих управляющих символов).
RS-485/RS-422 используют экранированную витую пару, экран в качестве сигнальной земли. Хотя сигнальная земля обязательна, она не используется для определения логического состояния линии. Устройство, управляющее сбалансированной линией (balanced line driver), может (для RS-485 - обязательно, для RS-422 - нет) так же иметь входной сигнал "Enable" (Разрешен), который используется для управления выходными терминалами устройства. Если сигнал "Enable" выключен, то это значит, что устройство отключено от линии, причем отключенное состояние устройства обычно называется "tristate" (т.е. третье состояние, вдобавок к двоичным 1 и 0).
18. Интерфейс RS-485
Интерфейс RS -485 является наиболее распространенным в про¬мышленной автоматике. Его используют промышленные сети Моdbus, Ргоfibus и тд. Основными его достоинствами являются:
• двусторонний обмен данными всего по одной витой паре проводов;
• работа с несколькими трансиверами, подключенными к одной и той же линии, т.е. возможность организации сети;
• большая длина линии связи;
• достаточно высокая скорость передачи.
Принципы построения
Для минимизации чувствительности линии передачи к электромагнитной наводке используется витая пара проводов. Токи, наводимые в соседних вит¬ках вследствие явления электромагнитной индукции взаимно компенсируют¬ся.
Дифференциальная передача сигнала.
Приемники сигнала являются дифференциальными, т.е. воспринимают только разность между напряжениями на линии
В основе построения интерфей¬са RS -485 лежит дифференциальный способ передачи сигнала, когда напряже¬ние, соответствующее уровню логической единицы или нуля, отсчитывается не от «земли», а измеряется как разность потенциалов между двумя переда¬ющими линиями: Dаtа+ и Dаtа— => помехи равны нулю
При этом напряжение каждой линии относительно «земли» не должно выхо¬дить за диапазон -7...+12 В.
При разно¬сти напряжений более 200 мВ, до +12 В считается, что на линии установлено значение логической единицы, при напряжении менее -200 мВ, до -7 В — логического нуля. Дифференциальное напряжение на выходе передатчика в соответствии со стандартом должно быть не менее 1,5В.
Выбросы защищают от искажений логические «0» и «1»
«Третье» состояние выходов. Второй особенностью передатчика D интерфейса RS-485 является возможность перевода выходных каскадов в «третье» (высокоомное) состояние сигналом DЕ (Driver Еnаble). Наличие третьего состояния позволяет осуществить полудуплексный обмен между любыми двумя устройствами, подключенными к линии, всего по двум проводам.
Четырехпроводной интерфейс. Интерфейс RS-485 имеет две версии: двухпроводную и четырехпроводную. Двухпроводная используется для полу¬дуплексной передачи когда информация может передаваться в обоих направлениях, но в разное время. Для полнодуплексной (дуплексной) переда¬чи используют четыре линии связи: по двум информация передается в одном направлении, по двум другим — в обратном.
Недостатком четырехпроводной схемы является необходимость жесткого указания ведущего и ведомых устройств на стадии проектирования системы, в то время как в двухпроводной схеме любое устройство может быть как в роли ведущего, так и ведомого. Достоинством четырехпроводной схемы является возможность одновременной передачи и приема данных, что бывает необходимо при реализации некоторых сложных протоколов обмена.
Режим приема эха. Если приемник передающего узла включен во вре¬мя передачи, то передающий узел принимает свои же сигналы. Этот режим называется «приемом эха» - слушать не начали ли два передатчика работать
Топология сети на основе интерфейса RS-485
При скорости больше 9600 бит/с, то необходимо использовать топологию- шина, так как в противном случае будет происходить отражение.
19 Интерфейсы «токовая петля».
Позволяет определить исправна ли линия связи, в передатчике используется не источник напряжение (как в RS-485), а тока.
Разновидности: 0…60мА – 1950 г
0…20мА – 1962 г
4…20мА – 1980 г
По определению, ток, вытекающий из источника тока, не зависит от параметров нагрузки. Поэтому в «токовой пет¬ле» протекает ток, не зависящий от сопротивления кабеля Rкаб, сопротивления нагрузки Rн, и э.д.с. индуктивной помехи ЕИНД, Ток в петле может измениться только вследствие утечек кабеля, которые очень малы.
Это свойство токовой петли является основным и определяет все варианты ее применения.
В качестве линии передачи обычно используется экранированная витая па¬ра, которая совместно с дифференциальным приемником позволяет ослабить индуктивную и синфазную помеху.
На приемном конце ток петли преобразуется в напряжение с помощью ка¬либрованного сопротивления Rн. Основным недостатком «токовой петли» является ее принципиально низкое быстродействие, которое ограничивается скоростью заряда емкости кабеля Скаб от источника тока. Вторым недостатком «токовой петли», ограничивающим ее практическое применение, является отсутствие стандарта на конструктивное исполнение разъемов и электрические параметры, хотя фактически стали общеприняты¬ми диапазоны токовых сигналов 0...20 и 4...20 мА; гораздо реже используют 0...60 мА.
Интерфейс «токовая петля» распространен в двух версиях: цифровой и аналоговой.
Аналоговая «токовая петля». Аналоговая версия «токовой петли» ис¬пользуется, как правило, для передачи сигналов от разнообразных датчиков к контроллеру или от контроллера к исполнительным устройствам. Приме¬нение «токовой петли» в данном случае дает два преимущества. Во-первых, приведение диапазона изменения измеряемой величины к стандартному диапазону обеспечивает взаимозаменяемость компонентов. Во-вторых, становится возможным передать сигнал на большое расстояние с высокой точностью.
В варианте «4...20 мА» в качестве начала отсчета принят ток 4 мА. Это позволяет производить диагностику целостности кабеля (кабель имеет разрыв, если ток равен нулю) в отличие от варианта «0...20 мА», где величина 0 мА может означать не только нулевую величину сигнала, но и обрыв кабеля. Вто¬рым преимуществом уровня отсчета 4 мА является возможность подачи энер¬гии датчику для его питания.
В схемах используется гальваническая развязка между вхо¬дом передатчика и передающим каскадом. Она необходима для исключения паразитных связей между передатчиком и приемником
Цифровая «токовая петля»
Пропорциональность необязательна, главное, чтобы амплитуда тока не выходила за пределы.
Оптрон- преобразователь электрического сигнала в свет, его передаче по оптическому каналу и последующем преобразовании обратно в электрический сигнал.
20 Промышленная сеть Profibus.
Слово PROFIBUS получено из сокращений PROcess Field BUS-«промышленная шина для технологических процессов. Стандарт Profibus был первоначально принят в Германии в 1987 г., в 1996 г. он стал международным (ЕN 50170 и ЕN 50254).
Profibus имеет три модификации: Profibus DP, Profibus FMS H Profibus PA.
Profibus DP (Profibus for Decentralized Peripherals — Profibus для децентрализованной периферии) использует уровни 1 и 2 модели ОSI, а также пользовательский интерфейс, который в модель ОSI не входит.
Profibus FMS (Profibus c FMS -протоколом) использует уровень 7 модели ОSI и применяется для обмена данными с контроллерами и компьютерами на регистровом уровне. Profibus FMS предоставляет большую гибкость при пере¬даче больших объемов данных, но проигрывает протоколу DP в популярности своей сложности.
Profibus PA (Profibus for Process Automation — для автоматизации тех¬нологических процессов) использует физический уровень на основе стандар¬та IЕС 1158-2, который обеспечивает питание сетевых устройств через шину и не совместим с RS-485. Особенностью Profibus PA является возможность работы во взрывоопасной зоне.
Profibus является многомастерной сетью (с несколькими ведущими устройствами). Физический уровень На физическом уровне Profibus DP используют стандарт RS-485 при скорости передачи до 12 Мбит/с и с размерами сегментов сети до 32 устройств. Количество устройств можно увеличить с помощью повторителей интерфейса. Для увеличения дальности передачи в Profibus предусмотрена возможность работы с оптоволоконным кабелем.
Для передачи данных используется NRZ-кодирование и 11-битный формат.
Канальный уровень
Канальный уровень модели OSI B Profibus называется FDL-ypoвнем (Field-bus Data Link — промышленный канал связи). Объект МАС (Medium Access Control— управление доступом к каналу) на канальном уровне определяет процедуру передачи данных устройствами, включая управление правами на передачу данных через сеть.
В сети Profibus для доступа ведущих устройств к сети используется метод передачи маркера. В этом методе сеть имеет логическую топологию кольца (т.е. кольца на уровне адресов устройств), каждое ведущее устройство получает доступ к сети только при получении маркера. Существуют следующие методы работы:
1) методе «ведущий/ведомый» процедуру коммуникации с ведомыми устрой¬ствами выполняет мастер, который обладает маркером.
2)На время обладания маркером мастер становится ведущим также по отношению к другим мастерам, т.е. может выполнять с ними коммуникацию типа «мастер-мастер».
3)широковещательный режим работы, когда ведущее устройство посылает сообщение «всем», не ожидая уведомления о получении,
4) многоабонентский режим, когда ведущее устройство посылает одно и то же сообщение сразу нескольким участникам сети.
В сети могут использоваться устройства трех типов:
• DP мастер класса 1 (DPМ1) — центральный контроллер, который цик¬лически обменивается информацией с ведомыми устройствами с заранее определенным периодом;
• DP мастер класса 2 (DPМ2) — устройство, предназначенное для конфигу¬рирования системы, наладки, обслуживания или диагностики;
• ведомое устройство — устройство, которое выполняет сбор информации или выдачу ее исполнительным устройствам.
Коммуникационный профиль DP позволяет сконфигурировать как одномастерную, так и многомастерную сеть.
Передача сообщений. Profibus использует два типа сервисов для пере¬дачи сообщений: SRD (Send and Receive Data with acknowledge — отправка и прием данных с уведомлением) и SND (Send Data with No acknowledge — отправка данных без уведомления).
Сервис SRD позволяет отправить и получить данные в одном цикле об¬мена.
Сервис SND используется, когда надо отправить данные одновремен¬но группе ведомых устройств (многоабонентский режим) или всем ведомым устройствам (широковещательный режим). При этом ведомые устройства не отправляют свои уведомления мастеру.
Сообщение в Profibus называется телеграммой. Телеграмма может содер¬жать до 256 байтов, из них 244 байта данных, плюс 11 служебных байтов (за¬головок телеграммы).
21. Промышленная сеть Modbus.
Разновидностями Modbus являются протоколы ModbuS Plus— многомастерный протокол с кольцевой передачей маркера и Modbus ТСР, рассчитанный на использование в сетях Ethernet и Интернет.
Протокол Modbus имеет два режима передачи: RTU (Remote Terminal Unit — удаленное терминальное устройство) и ASCII. Стандарт предусматри¬вает, что режим RTU в протоколе Modbus должен присутствовать обязатель¬но, а режим ASCII является опционным.
Стандарт Modbus предусматривает применение физического интерфейса RS-485, RS -422 или RS -232. Наиболее распространенным для организации про¬мышленной сети является 2-проводной интерфейс RS -485. Для соединений точка-точка может быть использован интерфейс RS -232 или RS -422.
Модель ОSI протокола Modbus содержит три уровня: физический, канальный и прикладной
Сегмент сети, не содержащий повторителей интерфейса, должен допускать подключение до 32 устройств, Протокол Modbus предполагает, что только одно ведущее устройство (кон¬троллер) и до 247 ведомых (модулей ввода-вывода) могут быть объединены в промышленную сеть. Обмен данными всегда инициируется ведущим. Ведомые устройства никогда не начинают передачу данных, пока не получат запрос от ведущего. Ведомые устройства также не могут обмениваться данными друг с другом. Поэтому в любой момент времени в сети Modbus может происхо¬дить только один акт обмена.
Описание кадра (фрейма) протокола Modbus. В протоколе Modbus RTU сообщение начинает восприниматься как новое после паузы (тишины) на шине длительностью не менее 3,5 символов (14 бит), т.е. величина паузы в секундах зависит от скорости передачи.
Поле адреса всегда содержит только адрес ведомого устройства, даже в ответах на команду, посланную ведущим.
Структура данных в режиме RTU. В режиме RTU данные передаются младшими разрядами вперед.
По умолчанию в RTU режиме бит паритета устанавливают равным 1, ес¬ли количество двоичных единиц в байте нечетное, и равным 0, если оно чет¬ное. Такой паритет называют четным (еven раrity), а метод контроля назы¬вают контролем четности.
Контроль ошибок. В режиме RTU имеется два уровня контроля ошибок в сообщении: контроль паритета для каждого байта (опционно) и контроль кадра в целом с помощью СRС метода.
Прикладной уровень Modbus основан на запросах с помощью кодов функ¬ций. Код функции указывает ведомому устройству, какую операцию оно долж¬но выполнить.
Коды функций. Стандартом Modbus предусмотрены три категории ко¬дов функций: установленные стандартом, задаваемые пользователем и заре¬зервированные.
Коды функций являются числами в диапазоне от 1 до 127. Коды в диа¬пазоне от 65 до 72 и от 100 до 110 относятся к задаваемым пользователем функциям, в диапазоне от 128 до 255 коды зарезервированы для пересылки кодов ошибок в ответном сообщении. Код «О» не используется.
Коды ошибок используются ведомым устройством, чтобы определить, ка¬кое действие предпринять для их обработки
22. Промышленная сеть CAN
CAN (Controller Area Network) - последовательная шина, разработанная компаниями Bosch и Intel для автомобильной промышленности. В настоящее время она используется и в распределенных системах управления (а также и в других областях автоматизации и контроля) для объединения интеллектуальных датчиков, интеллектуальных приводов и высокоуровневых систем.
CAN - это шина с несколькими мастер-узлами на основе пары медных проводников. Скорость передачи данных по этой шине зависит от длины линии связи. На расстояния до 40 метров данные могут передаваться со скоростью 1 Мбит/с, при передаче на 1000 метров скорость падает до 50 Кбит/с.
CiA (CAN in Automation) - Ассоциация производителей и пользователей CAN - рекомендует пользоваться физическими каналами, удовлетворяющими международному стандарту ISO 11898. Кроме того, группа пользователей в CiA советует реализовывать в системах протокольный уровень CAN Applicaton Layer (CAL). Этот высокоуровневый протокол (на базе модели ISO/OSI), не зависящий от приложения, хотя и не определяет содержание передаваемых данных, всё же предоставляет стандартизированный сервис и протоколы для
1) передачи данных,
2) назначения идентификаторов,
3) управления сетью.
CANopen - это набор аппаратных профилей на базе CAL, ориентированных на специфичные прикладные области. Каждый профиль представляет собой книгу (около 120 страниц), в которой определяются стандартные интерфейсы связи с устройствами конкретного типа.
Существуют и другие CAN-протоколы,
например, DeviceNet и SDS –
Smart Distributed Systems
(оба разработаны в США).
23. Промышленный Ethernet
Соответствует стандарту IЕЕЕ 802.3.
Внедрению Ethernet в промышленность способствовали следующие его ка¬чества:
• высокая скорость передачи (до 10 Гбит/с) и соответствие требованиям жесткого реального времени при высоком быстродействии
• простота интеграции с офисными сетями, Интернетом и интранетом
• возможность организации многомастерных сетей;
• возможности по организации сетей самых разнообразных топологий;
Существуют четыре стандартные скорости передачи данных в сетях Ethernet по оптоволоконному кабелю и витой паре проводов: 10 и 100 Мбит/с, 1 и 10 Гбит/с.
Ethernet имеет несколько модификаций
ВАSЕ
10 T (Twisted pair) витая пара
100 F (Fiber optic) оптоволоконный
1G S (Short wavelength optic) оптический коротковолновый
10G L (Long wavelength) длинноволновый
C (short Copper cable) короткий медный кабель
X наличие блока кодирования на физическом уровне.
Отличительные признаки промышленного Ethernet:
• отсутствие коллизий и детерминированность поведения благодаря приме¬нению коммутаторов;
• индустриальные климатические условия;устойчивость к вибрациям;
• отсутствие вентиляторов в оборудовании;
• повышенные требования к электромагнитной совместимости;
• компактность, крепление на ДИН-рейку; удобное подключение кабелей;
• диагностическая индикация на панели прибора;
• электропитание от источника напряжения в диапазоне от 10 до 30 В;
• возможность резервирования;
• разъемы и оборудование со степенью защиты до 1Р67;
• защита от электростатических зарядов, электромагнитных импульсов, от превышения напряжения питания;
• полнодуплексная передача.
Физический уровень
Физический уровень состоит из среды передачи (оптический кабель или витая пара) и методов кодирования информации для каждой скорости пере¬дачи.
Методы кодирования. Наиболее распространенные в промышленной ав¬томатизации стандарты 10ВАSЕ-Т и 100ВАSЕ-ТХ используют манчестерский код для скорости передачи 10 Мбит/с и 4В/5В-кодирование в со¬четании с NRZI (NRZ inverted — инвертированный NRZI) для ско¬рости 100 Мбит/с.
Доступ к линии передачи-метод СSМА/СD выполняет прослушивание линии передачи (СS — Сarrier Sense), чтобы определить ее за¬нятость; обеспечивает доступ многим участникам сети к общей линии передачи (МА — Мultiple Ассеss) и обнаруживает коллизии в линии (СD — Соllision Detection). Если при прослушивании линии обнаружено, что она свободна, может начинаться передача данных. Если при прослушивании линии устройство обнаруживает, что во время ра¬боты его передатчика в линии имеются данные от других устройств (это состоя¬ние линии называется коллизией), то передача прекращается и возобновляется по истечении случайного промежутка времени.
Коммутатор представляет собой интеллектуальное мно¬гопортовое устройство, которое устанавливает физическую связь между дву¬мя Ethernet –устройствами- Сеть ока¬зывается разделена на независимые сегменты, в каждом из которых может происходить обмен информацией независимо от других. Это приводит к увели¬чению пропускной способности сети, снижению коэффициента загруженности, а также к устранению коллизий. Для выполнения задачи сегментирования сети коммутатор содержит таб¬лицу МАС-адресов сетевых устройств/ МАС-адрес (Ethernet-адрес) — это аппаратный, или физический адрес устройства (или сетевой карты) в сети.
Канальный уровень модели ОSI состоит из подуровня управления логиче¬ским соединением LLC (Logical Link Control) и подуровня доступа к физической линии передачи MAC (Media Access Control).
24. Беспроводные локальные сети промышленного назначения. Основные проблемы и пути их решения
Используются там, где невыгодно проводить кабельную систему.
Классы беспроводных сетей:
- сотовые сети WWAN,
- беспроводные локальные сети WLAN,
- беспроводные сети датчиков.
В промышленной автоматизации наибольшее распространение получили:
Bluetooth IEEE 802.15.1;
ZigBee IEEE 802.15.4;
Wi-Fi IEEE 802.11
Диапазон частот для промышленных, научных и медицинских целей ISM 2.4 ГГц.
Излучаемая мощность не превышает нескольких десятков мВт.
Каждый участник сети имеет определенную зону уверенного приема.
Причины проблем: интерференция, дифракция, преломление, отражение, рассеяние (переизлучение) и снижение мощности излучения при увеличении расстояния от источника, а также невозможность локализации радиоволн в ограниченном пространстве.
Основные проблемы:
1.Протокол CSMA/CD не гарантирует доставку сообщений за определенное время. Решение: протокол CSMA/CA (предотвращение коллизий).
2.Помехозащищенность: все сети сильно подвержены влиянию электромагнитных помех.
3.Надежность связи страдает при несвоевременной замене батареек, влияет интерференция радиоволн.
4.Ограниченная дальность связи (не более 100 м внутри помещения).
5.Резкое падение пропускной способности при увеличении количества одновременно работающих станций.
6.Безопасность: возможность утечки информации, незащищенность от искусственно создаваемых помех, возможность незаметного управления технологическим процессом враждебными лицами.
Широкополосная модуляция
Один из методов устранения влияния интерференции волн и узкополосных помех.
2 метода:
- DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum) – широкополосная модуляция с прямым расширением спектра,
- FHSS (Frequency Hopping Spread Spectrum) – широкополосная модуляция с перескоком с одной несущей на другую.
DSSS
Если один бит информации представить прямоугольным импульсом, то эффективная ширина спектра импульса будет обратно пропорциональна его длительности. В методе DSSS один прямоугольный импульс заменяют последовательностью из 11 импульсов, которые в 11 раз короче исходного. При этом эффективная ширина спектра такой последовательности импульсов оказывается в 11 раз шире, чем у исходного одиночного импульса (бита), для Wi-Fi сетей составляет 22 МГц. Энергия сигнала оказывается «размазанной» по всему спектру, спектральная плотность мощности сигнала оказывается в 11 раз меньше, если измерять ее в той же полосе частот, которую занимал первоначальный прямоугольный импульс. Практически мощность передатчика для диапазона 2,4 ГГц выбирают так, чтобы спектральная плотность полезного сигнала была сравнима с спектральной плотностью шума.
FHSS
Используется тот же диапазон 2,4 ГГц шириной 83,5 МГц, в котором выделяется 79 неперекрывающихся частотных полос по 1 МГц каждая. В процессе передачи частота несущей изменяется скачкообразно. Частота переходов с одной несущей на другую: для Wi-Fi – не менее 4 Гц, для Bluetooth – 1,6 кГц. Для приема такого сигнала приемник и передатчик содержат таблицы, в которых занесена одна и та же последовательность смены каналов. При таком способе передачи узкополосные помехи приводят к потере только тех фрагментов сообщений, которые передаются на частоте помехи, т.е. фактически только к увеличению времени передачи за счет повторной передачи испорченных фрагментов.
Переход с одной частоты на другую уменьшает вероятность взаимного влияния при совместной работе нескольких передатчиков в сети, поскольку при 79 частотах вероятность совпадения частот двух работающих станция очень низка. Поэтому метод FHSS позволяет использовать большое количество одновременно работающих станций в сети (до 15 передатчиков). FHSS обеспечивает скорость передачи 1 и 2 Мбит/с.
Проблема скрытого узла:
Предположим, станция А передает сообщение станции В. В это время станция С прослушивает эфир и не слышит несущую, поскольку находится вне зоны действия станции А. Станция С начинает передачу одновременно со станцией А, что приводит к по
Не Пропустите:
- Перечень экзаменационных вопросов
- Вопросы по курсу «Применение мехатронных систем»
- Лабораторная работа №3 Настройка ПИД-регулятора на основе нечеткой логики по дисциплине «АСУТП»
- Неисправности реле-регуляторов
- Список экзаменационных вопросов и практических заданий по дисциплине «Разработка и эксплуатация удаленных баз данных» для специальности 230105 «Программное обеспечение вычислительной техники и автоматизированных систем»