Системы автоматики предприятий стройиндустрии

С.Ф. Абдулин

СИСТЕМЫ АВТОМАТИКИ ПРЕДПРИЯТИЙ СТРОЙИНДУСТРИИ

УБК 681.5: 69 ББК 32.965: 38 А13 Рецензенты: кафедра «Автоматизация и робототехника» ОмГТУ (заведующий кафедрой, д-р техн. наук, проф. В.Г. Хомченко); Р.Т. Файзуллин, д-р техн. наук, проф., заведующий кафедрой «Информационная безопасность» ОмГУ Работа одобрена редакционно-издательским советом академии в качестве учебного пособия для студентов специальности 220301 «Автоматизация технологических процессов и производств», а также специальностей: 270113 «Механизация и автоматизация строительства»; 290600 «Производство строительных материалов, изделий и конструкций; 290300 «Промышленное и гражданское строительство»; 290700 «Теплоснабжение и вентиляция» с учетом раздела 6.

Абдулин С.Ф. А 13 Системы автоматики предприятий стройиндустрии: Учебное пособие. – Омск: Изд-во СибАДИ, 2007. – 643 с. ISBN 978–5–93204–333–2 Приведены сведения о структуре, составе и функциях распределенных систем управления (РСУ) от уровня полевой, контроллерной до диспетчерско-административной. Рассмотрены традиционные программируемые логические контроллеры (ПЛК), средства коммуникации, развитие интегрированных систем управления предприятия в целом. Изложены теоретические основы автоматизации непрерывного и дискретного технологических процессов предприятий стройиндустрии от ПТС до конечных технологических процессов, а также современных процессов строительства интеллектуальных зданий и управления автоматизированным строительством. Учебное пособие представляет интерес для специалистов по автоматизации, может быть полезно преподавателям и аспирантам, а также рекомендовано студентам, обучающимся по специальности 220301.

Табл.54. Ил.297. Библиогр.:105 назв.

ISBN 978–5–93204–333–2

Ó С.Ф. Абдулин, 2007

Федеральное агентство по образованию Сибирская государственная автомобильно-дорожная академия (СибАДИ)

С.Ф. Абдулин

СИСТЕМЫ АВТОМАТИКИ ПРЕДПРИЯТИЙ СТРОЙИНДУСТРИИ

Учебное пособие Рекомендовано Новосибирским региональным отделением УМО Российской Федерации по образованию в области строительства для использования в учебном процессе при изучении дисциплин по автоматизации производственных процессов при подготовке специалистов по направлению «Строительство»

Омск Издательство СибАДИ 2007

ОГЛАВЛЕНИЕ Условные обозначения……………………………………………….. 11 Предисловие……………………………………………………………. 14 Введение………………………………………………………………... 16 Раздел 1. Общие сведения об автоматизации на предприятиях строительной индустрии……………………………………………... 1. Некоторые общие принципы автоматизации производственных процессов в строительной индустрии………………………………… 1.1. Строительство как одна из ведущих отраслей народного хозяйства………………………………………………………………... 1.2. Некоторая общность технологических процессов и систем автоматизации многих подотраслей строительной индустрии………... 1.3. Общие сведения об автоматизации производства в основных производящих подотраслях строительной индустрии……………...... 1.3.1. Важнейшие технологические процессы и основы их автоматизации………………………………………………………………. 1.3.2. Автоматические системы управления объектами непрерывного действия………………………………………………………. 1.3.3. Автоматические системы управления объектами дискретного действия………………………………………………………………… 1.3.4. Автоматические системы контроля…………………………….. 1.3.5. Комплексные системы автоматизации зданий и сооружений……………………………………………………………………….. Раздел 2. Технические средства автоматизации и системы управления производственными процессами. Современное состояние и тенденции развития………………………………………. 2. Состояние технических средств автоматизации…………………... 2.1. Назначение и проблемы проектирования технических средств автоматизации…………………………………………………………... 2.2. Этапы развития государственной системы промышленных приборов и средств автоматизации (ГСП)……………………………. 2.3. Назначение, цели и функции АСУ ТП………………………........ 2.4. Типовые структуры и средства управления технологическими процессами……………………………………………………………… 2.5. Средства построения ЛУВС с магистральной структурой……… 2.6. Типовой состав технических средств АСУТП…………………... 2.7. Основные понятия и определения типизации, унификации и агрегатирования технических средств и КТС…………………………... 2.8. Состояние и тенденция развития КТС АСУ ТП…………….........

20 20

21 26 26 29 38 47 52

55 55 55 59 67 70 82 89 92 95

2.8.1. Общая характеристика современного состояния КТС АСУТП и их практической реализации на зарубежных и отечественных предприятиях. Программируемые микропроцессорные контроллеры (ПМК) ремиконты и ломиконты……………………………………….. 2.8.2. Общее описание и классификация программируемых логических контроллеров (ПЛК)…………………………………......... 2.8.2.1. Применение ПЛК в системах управления……………………. 2.8.2.2. Моноблочные (компактные) контроллеры………………….... 2.8.2.3. Коммуникационные модули…………………………………… 2.8.2.4. Модули специального назначения…………………………….. 2.8.3. Программное обеспечение АСУ ТП……………………………. 2.8.3.1. Языки программирования ПЛК по стандарту IEC 61131–3……………………………………………………………........... 2.8.3.2. Объекты адресации языков программирования ПЛК………... 2.8.3.3. Язык Ladder Diagram (LD)……………………………………… 2.8.4. SCADA - системы в распределенных системах управления……………………………………………………………………... 2.8.5. SCADA - системы, встраиваемые в ПЛК…………………......... 2.8.6. ОРС - стандарт взаимодействия SCADA - систем и ПЛК……... 2.8.7. Методика выбора ПО различных производителей…………….. 2.8.8. Промышленные сети контроллеров……………………………... 2.8.8.1. Архитектура промышленных сетей……………………............ 2.8.8.2. Топология промышленных сетей……………………………… 2.8.8.3. Методы организаций доступа к линии связи…………………. 2.8.9. Открытые промышленные сети…………………………….......... 2.8.10. Интегрированные системы управления………………………... 2.8.10.1. ЕRP - системы…………………………………………………. 2.8.10.2. CRM - системы……………………………………………….. 2.8.10.3. MES - системы……………………………………………….. 2.8.10.4. Серверы баз данных…………………………………………... 2.8.11. Примеры применения ПЛК при разработке распределенных систем управления (РСУ)……………………………………................. 2.8.11.1. Решение типовых задач управления на языках IEC 61131–3…………………………………………………………………… 2.8.11.2. Составление программ управления объектом………………. 2.8.11.3. ПЛК в распределенных системах………………….................. 2.8.11.4. АСУ ТП печей обжига цементного клинкера………………..

95 128 128 131 161 165 165 165 166 167 168 187 189 194 196 197 204 206 206 214 218 220 221 222 227 227 233 236 237

Раздел 3. Автоматизация технологических процессов……………. 240 3. Автоматизация процессов производства бетона и железобетонных изделий и конструкций…………………………………………………. 240 3.1. Автоматизация поточно-транспортных систем…………………... 240

3.1.1. Характеристика транспортных средств как объектов автоматизации………………………………………………………………... 3.1.2. Автоматический контроль и сигнализация работы конвейерного транспорта…………………………………………………......... 3.1.3. Автоматическое управление конвейерным транспортом……… 3.1.4. Автоматическое управление устройствами пневматического транспорта……………………………………………………………….. 3.1.5. Автоматическое управление транспортными машинами периодического действия…………………………………………......... 3.2. Автоматизация складов материалов и изделий………………....... 3.2.1. Характеристика складов как объектов автоматизации………… 3.2.2. Автоматическое управление оборудованием склада цемента……………………………………………………………………… 3.2.3. Автоматическое управление оборудованием склада заполнителей…………………………………………………………………… 3.2.4. Автоматический контроль и учет материалов на складе заполнителей…………………………………………………………......... 3.2.5. Автоматизация процесса сушки и нагрева материалов на складах…………………………………………………………………… 3.3. Автоматизация процессов дробления и сортировки…………...... 3.3.1. Основные сведения о предприятиях по переработке нерудных строительных материалов………………………………………………. 3.3.2. Автоматическое регулирование производительности дробилок……………………………………………………………………… 3.3.3. Статические и динамические характеристики щековой дробилки……………………………………………………………......... 3.3.4. Автоматическая оптимизация дробильно-сортировочных процессов………………………………………………………………... 3.3.5. Автоматическое управление щековой дробилкой……………... 3.3.6. Автоматическая защита, сигнализация и учет работы щековых дробилок…………………………………………………….................... 3.3.7. Автоматизация конусных и валковых дробилок………………. 3.3.8. Автоматизация управления работой виброгрохотов………….. 3.3.9. Оптимизация процессов грохочения………………………........ 3.3.10. Автоматизация поточных технологических линий дробильно-сортировочных систем………………………………………… 3.4. Автоматизация процессов дозирования и взвешивания………… 3.4.1. Классификация технологических дозаторов и весов………….. 3.4.2. Динамические погрешности процесса дискретного дозирования…………………………………………………………………….. 3.4.3. Автоматическое управление дозаторами дискретного действия………………………………………………………………………

240 241 247 252 257 259 259 261 267 272 274 275 275 277 282 286 288 294 299 301 306 308 311 311 313 314

3.4.4. Динамические и статические характеристики дозаторов непрерывного действия……………………………................................ 3.4.5. Автоматическое управление дозаторами непрерывного действия………………………………………………………………..… 3.4.6. Автоматический контроль расхода материалов при дозировании…………………………………………………………………... 3.4.7. Автоматический контроль расхода материалов на конвейерных лентах…………………………………………………………..… 3.4.8. Автоматическое взвешивание материалов в железнодорожных вагонах и автомашинах…………………………………………………. 3.5. Автоматизация смесительного оборудования……………………. 3.5.1. Классификация смесительных установок и процессов……..…. 3.5.2. Автоматическое управление смесительными установками в функции времени……………………………………………………….. 3.5.3. Автоматическое управление смесительной установкой с контролем тока двигателя………………………………………………. 3.5.4. Автоматическое регулирование вязкости (подвижности) бетонной смеси…………………………………………………………... 3.6. Некоторые передовые технологии автоматизации (ПТА) на российских бетонных заводах………………………………………….. 3.6.1. Микроволновой метод управления вязкостью (подвижностью) бетонной смеси………………………………………………………….. 3.7. Автоматизация процессов формования и уплотнения…………… 3.7.1. Классификация установок и процессов формования и уплотнения………………………………………………………………..... 3.7.2. Автоматическое управление установкой для центрифугирования труб…………………………………………………………..… 3.7.3. Автоматическое управление установкой для радиального прессования труб………………………………………………………... 3.7.4. Автоматическое управление установкой для формования плит……………………………………………………………………..... 3.7.5. Автоматическое управление оборудованием для формования многопустотных панелей ………………………………………………. 3.8. Автоматизация термовлажностной обработки изделий………….. 3.8.1. Основные процессы и установки для термовлажностной обработки изделий……………………………………………………..... 3.8.2. Автоматизация термовлажностной обработки изделий в пропарочных камерах…………………………………………………... 3.8.3. Системы автоматического регулирования пропарочных камер ……………………………………………………………………………. 3.8.4. Автоматизация процессов термовлажностной обработки изделий в кассетах………………………………………………….........

319 321 325 327 330 334 334 335 336 339 342 361 363 363 364 366 369 373 377 377 378 383 387

3.8.5. Автоматизация процесса термовлажностной обработки железобетонных изделий в вертикальной камере башенного типа…………………………………………………………………..…... 3.8.6. Автоматизация процесса термовлажностной обработки изделий в автоклавах………………………………………………….... 3.8.7. Автоматизация термовлажностной обработки изделий с контролем прочности..………………………………………………….. 3.8.8. Многоканальное регулирование температуры в пропарочных камерах, кассетах, автоклавах………………………………………… 3.8.9. Расчет устойчивости многоканальных систем автоматического регулирования……………………………………………….................... 3.9. Автоматизация арматурных работ при производстве железобетонных изделий. Общие сведения об арматуре и её изготовлении………………………………………………………………………... 3.9.1. Автоматическая машина и автоматическая линия для сварки арматурных сеток……………………………………………………….. 3.9.2. Автоматизация процесса предварительного напряжения арматуры……………………………………………………………..…... Раздел 4. Автоматизация зданий……………………………………... 4. Интеллектуальное здание…………………………………………….. 4.1. Современные инженерные системы..…………………………....... 4.2. Системы электротеплоснабжения …….…………………………... 4.2.1. Система децентрализованного теплоснабжения на базе автономного теплогенератора.……………………………………………. 4.2.2. Автоматические котлы пульсирующего горения……………..... 4.2.3. Пароутилизаторы – новое слово в энергосбережении……….… 4.2.4. Современный взгляд на обычные учетно-распределительные приборы………………………………………………………………..… 4.2.5. Тиристорный регулятор как средство экономии в нагревательных системах……………………………………………………….. 4.3. Технология комплексного теплового неразрушающего контроля зданий и строительных сооружений. Опыт и современная теория…………………………………………………………………….. 4.4. Перспективные мониторинги……………………………………… 4.4.1. Мониторинг технического состояния строительных конструкций…………………………………………………………………..... 4.4.2. Методы обнаружения и мониторинга развития трещин в строительных конструкциях……………………………………………. 4.4.3. Перспективный мониторинг и управление объектами ЖКХ и системами безопасности………………………………………………...

390 391 398 400 405 410 411 416 422 422 428 445 445 448 451 456 458 460 476 476 479 484

4.4.4. Практические задачи по организации системы строительного мониторинга……………………………………………………………... 4.5. Архитектура и безопасность среды обитания человека………….. 4.6. Нейроинформационные технологии на службе безопасности населения………………………………………………………………… 4.7. Классификация, определения и функциональная терминология в строительном мониторинге…………………...……………………….... 4.8. Автоматизация зданий: от теории к практике…………………….. 4.9. Вихревые гидрокавитационные установки – путь к энергоресурсосбережению и повышению качества строительных материалов…………………………………………………………….…. Раздел 5. Автоматизация управления строительным предприятием…………………………………………………………... 5. Общая характеристика вопросов управления строительным предприятием………………………………………………………….… 5.1. Роль АСУП в управлении предприятием…………………………. 5.1.1. Классификация АСУ по основным признакам……………….... 5.1.2. Научно-технический уровень АСУП……………………..…….. 5.1.3. Экономическая эффективность АСУП……………………..…... 5.1.4. Автоматизация проектирования АСУП…………………..…….. 5.1.5. Современные направления развития АСУП………………...….. 5.2. Разработка специального ПО АСУ строительным предприятием (АСУ СП)……………………………………………………………….... 5.3. Модели и алгоритмы постановки задач разработки АСУ промышленными объектами……………………………………………….. 5.4. Нейросетевое управление ресурсами в структурном подразделении предприятия………………………………………………………. Раздел 6. Основы автоматики и автоматизации производства…. 6. Общие сведения об автоматизации………………………………..… 6.1. Основные понятия об объектах и системах автоматического управления……………………………………………………………….. 6.2. Общие сведения о Государственной системе промышленных приборов и средств автоматизации (ГСП)…………………………….. 6.3. Автоматический контроль и измерения технологических параметров……………………………………………………………….. 6.3.1. Основы метрологии и техники измерений…………………...…. 6.3.2. Типовые измерительные схемы и приборы технологического контроля……………………………………………………………….…. 6.3.2.1. Общие сведения о датчиках физических величин………….… 6.3.2.2. Измерительные схемы для датчиков…………………………...

487 493 497 501 506 514

519 519 519 520 520 521 521 523 524 530 539 552 552 552 555 556 556 560 560 565

6.3.2.3. Методы измерения важнейших параметров технологических процессов………………………………………………………………… 6.3.2.3.1. Измерение температуры…………………………………….... 6.3.2.3.2. Измерение давления………………………………………….. 6.3.2.3.3. Измерение количества и расхода вещества………………… 6.3.2.3.4. Измерение уровня……………………………………………. 6.3.2.3.5. Измерение влажности газов и твердых материалов………... 6.3.2.3.6. Измерение кислотности (щелочности) растворов………….. 6.4. Автоматические системы регулирования технологических параметров……………………………………………………………….. 6.4.1. Классификация автоматических систем регулирования технологических параметров………………………………………….... 6.4.2. Объекты регулирования и их свойства………………………...... 6.4.3. Автоматические регуляторы и законы регулирования……….... 6.4.4. Нелинейные законы регулирования…………………………...… 6.4.5. Усилительно-преобразовательные устройства……………..…... 6.4.6. Реле……………………………………………………………...…. 6.4.7. Исполнительные механизмы и регулирующие органы……..…. 6.4.9. Управление приводами машин и механизмов………………….. 6.4.9. Основные характеристики элементов и линейных систем автоматического регулирования непрерывного действия…………..... 6.4.9.1. Дифференциальные уравнения для элементов системы……... 6.4.9.2. Передаточные функции……………………………...…………. 6.4.9.3. Временные характеристики…………………………………..... 6.4.9.4. Частотные характеристики……………………………………... 6.4.9.5. Типовые динамические звенья АСР…………………………… 6.4.9.6. Основные виды соединений звеньев системы…………….….. 6.4.9.7. Устойчивость АСР. Понятия об устойчивости..…………….... 6.4.9.8. Качество автоматических систем регулирования…………….. 6.5. Дискретные автоматические системы регулирования………....… 6.5.1. Понятия о дискретных АСР и их классификация…………......... 6.5.2. Классификация релейных АСР………………………………...… 6.5.3. Автоколебания в релейных АСР…………………………….…... 6.6. Автоматизированные системы управления технологическими процессами (АСУ ТП) и гибкие автоматизированные производства (ГАП). Робототехнические системы………………………………….... 6.6.1. Общая характеристика АСУ ТП……………………………….… 6.6.2. Назначение, цель и функции АСУ ТП……………………….….. 6.6.3. Упрощенная структура комплекса технических средств (КТС) АСУ ТП…………………………………………………………………... 6.6.4. Технические средства распределенных АСУ ТП………………. 6.6.5. Микропроцессорные автоматические устройства……………....

565 565 571 573 575 576 576 577 578 581 583 586 586 588 590 595 597 598 601 602 602 603 606 608 611 613 613 614 615 618 618 619 620 621 624

6.6.6. Актуальность создания гибких производственных систем и факторы обеспечения их гибкости……………………………..………. 625 Заключение………………………………………………………………. 628 Контрольные вопросы………………………………………………..... 629 Библиографический список………………………………………...…. 637

Список условных обозначений АИП – аналоговая измерительная подсистема АЛУ – арифметико-логическое устройство АР – автоматический регулятор АНАП – автоматически настраивающийся адаптивный регулятор АУР – арифметическое устройство расширения АУ – арифметическое устройство АСУ – автоматическая система управления АСУ ТП – автоматизированная система управления технологическими процессами АСУП – автоматизированная система управления производством АТК – автоматизированный технологический комплекс АТСС – автоматизированная транспортно-складская система АЦП – аналого-цифровой преобразователь БД – база данных БИС – большая интегральная схема БМУ – блок микропрограммного управления БПр – блок приоритетного прерывания БСРг – блок специальных регистров БУ – блок управления ВИМ-сигнал – времяимпульсный сигнал ВП – входной преобразователь ВУ – вычислительное устройство ВхУ – входное устройство ВчУ – вычитающее устройство Г – генератор ГВН – генератор высокой частоты ГИП – газоразрядный индикатор - панель ГНИ – генератор нониусных импульсов ГОЧ – генератор опорной частоты ГПН – генератор пилообразного напряжения ГТИ – генератор тактовых импульсов ГУЧ – генератор импульсов управления частоты Д – детектор ДвУ – двоичный умножитель ДвД – двоичный делитель ДтН – детектор нуля ДЗ – дозатор ДЧ – делитель частоты

Дш – дешифратор ДшК – дешифратор команд ЗУ – запоминающее устройство ЗУМПр – ЗУ микропрограмм ЗЭ – запоминающий элемент ИК – интерфейс каскадный ИМ – интерфейс магистральный ИМ – исполнительный механизм ИнИС – интеллектуальные измерительные системы ИНС – искусственные нейронные сети ИНТ – интегратор ИОН – источник опорного напряжения ИП – измерительный прибор ИПр – измерительный преобразователь ИР – интерфейс радиальный ИС – интегральная схема ИУ – исполнительное устройство ИСК – искусственные строительные конгломераты ИСО – интерфейсная схема обмена ИУ – импульсный усилитель разбаланса ИнфШ – информационная шина ИЦ – измерительная аналоговая цепь Км – коммутатор КОП – код операции КС – канал связи ЛБ – логический блок КТС – комплекс технических средств МК – микрокоманда МО – микрооперация Мп – мультиплексор МП – микропроцессор МПК – микропроцессорный комплект МПСУ – микропроцессорная система управления МПП – магистральный приемопередатчик МПС – микропроцессорная система НГМД – накопитель информации на гибких магнитных дисках ОБ – операционный блок ОЗУ – оперативное запоминающее устройство ОП – операционная подсистема ОПЭ – обратный преобразовательный элемент ОР – объект регулирования

ОРУ – отчетно-регистрирующее устройство ОС – обратная связь ОУ – операционный усилитель ПВВ – подсистема ввода-вывода ПДП – прямой доступ к памяти ПЗУ – постоянное запоминающее устройство ПИП – первичный измерительный преобразователь ПЛК – программируемый логический контроллер ПМК – программируемый микропроцессорный контроллер ПНЧ – преобразователь напряжения в частоту ПП – приемный преобразователь ППЗУ – программируемое ЗУ ПУ – признаки и условия ПЭ – преобразовательный элемент РГ – регистр РгА – регистр адреса РгД – регистр данных РгЗУ – регистровое ЗУ РгИ – регистр индексный РгК – регистр команд РгМК – регистр микрокоманд РД – реверсивный двигатель РО – регулирующий орган РгН – регистр накопления РгПП – регистр последовательного приближения РгС – регистр состояния РгФ – регистр флаговый РИН – регулирующий источник напряжения РОН – регистр общего назначения РОП – регистр общего питания РСч – реверсивный счетчик РУ – регистрирующее устройство ОУ – объект управления САУ – система автоматического управления СА – система автоматизации САПР – система автоматического проектирования СГ – синхрогенератор CLAS (Continius Acquisition and Life cycle Support) – непрерывное развитие и поддержка жизненного цикла СБМ – самобалансирующаяся мостовая схема СД – синхронный двигатель Сенсоры – микроэлектронные датчики

СИ – синхроимпульс СИА – средства измерений и автоматизации СОЗУ – сверхоперативное ЗУ СУ – суммирующий усилитель СхС – схема совпадения СхСб – схема формирования сброса кода счетчика СхТ – схема тактирования СхФА – схема формирования адреса Сч – счетчик ТП – технологический процесс Тг – триггер ТгН – триггер направления ТгП – триггер флаговый ТЭДС – термоэлектродвижущая сила У – усилитель УЧ – усилитель частоты УАО – устройство аналоговой обработки сигналов УВВ – устройство ввода-вывода УГ – управляемый генератор УМУ – устройство местного управления УП – управляющая память УС – указатель стека УУ – устройство управления УЦО – устройство цифровой обработки УЧ – умножитель частоты ФБ – функциональный блок ФВЧ – фильтр верхних частот ФД – фазовый детектор ФИ – формирователь импульсов ФСИ – формирователь синхро-импульсов Фт – фильтр ЦАП – цифроаналоговый преобразователь ЦВ – цифровой вольтметр ЦМД – цилиндрический магнитный домен ЦП – центральный процессор ЦРС – центральный распределитель системы ЦСА – центральный специальный анализатор ЧВП – частотно-временной преобразователь ЧИМ-синал – частотно-импульсный сигнал ЧИП – частотно-импульсный преобразователь ЧОС – частотно-зависимая цепь обратной связи ЧПУ – числовое программное управление

ЧЦВУ – частотно-цифровое вычислительное устройство ЧЦП – частотно-цифровой преобразователь ЧЭ – чувствительный элемент ША – шина адреса ШД – шина данных ШУ – шина управления ШИМ-сигнал – широтно-импульсный сигнал ЭЛТ – электронно-лучевая трубка ЭПМ – электроуправляемая пишущая машинка ЭС – элемент сравнения ИПУ РАН – Институт проблем управления Рос. АН

ПРЕДИСЛОВИЕ Стройиндустрия - это одна из самых крупных и мощных отраслей промышленности, включающая промышленное и гражданское строительство, транспортное (дорожное и аэродромное) строительство, гидротехническое строительство и многие другие подотрасли, такие как добыча и переработка нерудных строительство материалов, производство бетона и железобетона, цемента, асфальтобетонных и цементобетонных покрытий, кирпичное производство, асбестоцементное производство, стекольное производство и другие. Каждая подотрасль имеет свои особенности в организации и выполнения производственных процессов, общим и для них являются нерудные строительные материалы и дробильно-сортировочное оборудование, а также повышение производительности и качества труда, снижение трудоемкости и энергоемкости работ, что невозможно без автоматизации производственных процессов на современной компьютерной основе. Рост экономических возможностей России и стремление к улучшению материально-эстетических условий современных жилых, культурносоциальных и др. зданий привели к невиданному ранее качеству появились интеллектуальные здания, коренным образом изменившие внутреннюю и внешнюю среду обитания человека. Учебное пособие написано впервые и соответствует основным требованиям государственного образовательного стандарта (ГОС) ВПО по дисциплине ДС.05 «Системы автоматики предприятий стройиндустрии». Эта дисциплина является заключительной в цикле дисциплин по автоматизации для специальности 220301 «Автоматизация технологических процессов и производств» (в строительной промышленности) и изучается в 8-9 семестрах с плановым курсовым проектом в 9 семестре, что существенно способствует повышению уровня и качества последующего дипломного проектирования. В учебном пособии изложены теоретические основы современного интеллектуального датчикостроения, систем автоматического и автоматизированного контроля, регулирования и управления производственными процессами на основе последних достижений в области технических средств и комплексов, созданных на принципах интеллектуализации, многоканальности, интеграции, позволяющих на одних аппаратных средствах решать задачи АСУ ТП и АСУП, т.е. в целом задачи управления всем производством на конкретном предприятии. Для повышения уровня знаний по современным основам автоматики в целях самостоятельного изучения данного учебного пособия студентами, обучающимися по специальности290600 «Производство строительных материалов, изделий и конструкций», 290300 «Промышленное и

гражданское строительство», 290700 «Теплоснабжение и вентиляция», 270113 «Механизация и автоматизация строительства» автор включил в структуру учебного пособия раздел 6 «Основы автоматики и автоматизации производства». Учебное пособие полезно для инженерно-технических работников строительной промышленности. Книга написана на основе опыта работы автора в Красноярском ордена Трудового Красного Знамени института цветных металлов им. М.И. Калинина, Казахском ордена Трудового Красного Знамени политехническом институте им. В.И. Ленина, Сибирской государственной автомобильно-дорожной академии (СибАДИ), где он в течение нескольких десятилетий работал в качестве зав. кафедрами АПП, Электротехники и готовил инженеров-автоматиков практически по одной и той же специальности под шифрами 0635, 2103, 2102 и теперь 220301 «Автоматизация технологических процессов и производств». Кроме того, автором издано несколько учебно-методических пособий, в т.ч.: Абдулин С.Ф. Технические измерения и приборы в строительстве: Учебное пособие.-Омск: Из-во СибАДИ, 2006.- 576 с. Автор выражает благодарность ректору СибАДИ В.А. Сальникову, дру пед. наук, профессору, и декану факультета ТТМ В.С. Щербакову, д-ру техн. наук, профессору за постоянное внимание к работе над учебным пособием и помощи в его издании.

ВВЕДЕНИЕ К концу девяностых годов автоматизированные системы управления технологическими процессами (АСУТП) нефтепереработки и нефтехимии получили существенное развитие в количественном и качественном отношениях [1,2]. Развернулась масштабная деятельность зарубежных и отечественных фирм по созданию программного обеспечения задач контроля и управления технологическими процессами. При этом основными задачами были приняты развитие косвенных методов контроля неизмеряемых величин (переменных), адаптивных и многосвязанного регулирования, оптимального управления и экспертных систем. Был осуществлён переход от устаревшего пневматического оборудования и традиционных методов щитовых систем к электронным микропроцессорным бесщитовым распределённым АСУТП сетевой архитектуры, в составе которых используется IBM-совместимые ПЭВМ и новейшие программные средства. Появились организации (фирмы), выполняющие разработку и внедрение АСУТП «под ключ», включая изготовление и комплектацию оборудования. Усилившаяся конкурентная борьба способствовала повышению качества и снижению стоимости технических средств, программного обеспечения и выполняемых работ. Больше внимания стало уделяться повышению надежности систем. АСУТП нефтепереработки и нефтехимии, характеризующимися существенно большим экономическим потенциалом, развивались значительно быстрее и с привлечением зарубежных фирм, обладающих самой передовой техникой. АСУТП этих отраслей традиционно строится по двухуровневому принципу. Информационно-управляющая подсистема нижнего уровня предназначена для оперативного контроля, автоматического регулирования и ручного дистанционного управления процессами, программно-логического управления технологическими агрегатами, контроля состояния, сигнализации и защиты оборудования в аварийных ситуациях. Информационно-управляющая подсистема является централизованной по характеру процессов контроля и управления, осуществляемых на каждом рабочем месте, и распределенной по аппаратурной реализации своих функций. Задачи контроля и управления, решаемые в рамках этой подсистемы, достаточно универсальны и мало зависят от свойств объекта управления, а используемое программное обеспечение определяется выбором технических средств. Функционирование информационно-управляющей подсистемы связано с переработкой текущей информации, поступающей с объекта.

Решение задач, использующих информацию, накапливаемую за достаточно продолжительный интервал времени, как правило, характерно для верхнего уровня АСУТП. Подсистема верхнего уровня АСУТП является централизованной как по способам хранения и обработки информации, так и по аппаратной реализации и ориентирована на решение задач расчетного характера. В составе функциональных задач верхнего уровня АСУТП выполняются технологические и технико-экономические расчёты, диагностика состояния технологического оборудования и учет времени его работы, прогнозирование показателей качества выпускаемой продукции, оптимальное управление технологической установкой в целом и каждой из её секций, архивирования значений технологических переменных с целью их анализа. Определяющими факторами, характеризующими качество подсистемы верхнего уровня, являются, прежде всего, универсальность используемых алгоритмов, обеспечивающих возможность их применения на различных объектах, а также гибкость системы, удобство её настройки и сопровождения. В составе технических средств распределённых АСУТП выделяются следующие аппаратно-функциональные элементы: - субкомплексы связи с объектом, обеспечивающие сбор информации, формирование и выдачу управляющих воздействий; - рабочие места операторов-технологов, реализующих систему отображения информации и человекомашинный интерфейс связи с процессом; - вычислитель для решения функциональных задач верхнего уровня. Большинство зарубежных и отечественных фирм считают основным подходом к организации субкомплексов связи с объектом на основе программируемых контроллеров, обеспечивая их использование как в составе сложных систем, так и автономно. Высокая надёжность программируемых микропроцессорных контроллеров (МПК) обеспечивается путём аппаратного резервирования (дублирования или троирования) устройства в целом или отдельных информационных каналов. Живучесть выполняемых функций достигается высокой степенью их распределения по аппаратным средствам за счет применения функциональных плат. Рабочее место оператора-технолога предназначено для обеспечения контроля и управления ходом технологического процесса и его агрегатами без привлечения дополнительных средств. Организовано рабочее место оператора-технолога на базе контроллеров, оснащенных цветными графическими терминалами, алфавитно-цифровыми и функциональными клавиатурами. Многие фирмы используют сенсорные экраны,

позволяющие перемещать курсор по полю экрана прикосновением пальца. В составе автоматизированного места оператора-технолога функционируют подсистемы отображения информации автоматического контроля и сигнализации, связи оператора с технологическим процессом и системой. Подсистема отображения реализует информационную модель управляемого объекта в виде последовательности кадров, вызываемых на экране цветных графических терминалов. Каждый кадр представляет собой мнемосхему участка технологического процесса с текущими значениями соответствующих переменных, набор графиков изменения этих переменных во времени или гистограмм распределения нарушения для границ различного уровня. Идеология построения систем отображения информации в настоящее время предусматривает два принципа их реализации: - представление информации по мере возникновения каких-либо нарушений или по требованию оператора; - безусловное представление основной информации о ходе технологического процесса и её последующей детализации при возникновении нарушений либо по желанию оператора. Примером осуществления первого принципа является система американских фирм Taulor MOD-300, Honeuwel TDS-3000. Конфигурирование этих систем основано на понятиях «зона контроля», «группа элементов» и «динамический элемент», обеспечена возможность изменения задания регулятором при их вызове, осуществляемого подведением курсора к значению соответствующей переменной [2, 3]. Второй принцип организации систем отображения информации является более последовательным в идеологическом плане. Он базируется на чётком разделении смыслового содержания отображаемой информации и способов её отображения. Состав информации на выводимых кадрах выбирается из условия максимальной информативности их сопоставительного анализа в каждой конкретной ситуации, а форма её отображения обеспечивает наилучшую психологическую восприимчивость для оператора в зависимости от характера сопоставления. Любые действия оператора начинаются с вызова требуемого ему информационного кадра. Запросы на выводы кадров могут быть организованы различными способами: - прямым вызовом по имени (имеется подсказка-меню) или нажатием соответствующей этому кадру клавиши на алфавитно-цифровой или функциональной клавиатурах; - подведением курсора в определённое место мнемосхемы (обзорного кадра) или движением «окна» по мнемосхеме (детализация участков мнемосхемы);

- последовательным перелистыванием в прямом и обратном направлениях. Регуляторы отображаются в привычном для оператора виде стилизованных шкал, а величина задания изменяется с помощью клавиш увеличения или уменьшения. Совпадение текущих значений регулируемой переменной и задания отображается на шкале с учётом точности измерений. Управление дискретными элементами (насосами, компрессорами, заслонками, отсечными клапанами), требующее незамедлительных действий оператора в определённых ситуациях, организовано на базе функциональных клавиатур, что значительно снижает время его реакции при возникновении нарушения. Средствами конфигурирования систем могут быть специализированные языки описания системы, заполнения таблиц, ответы на вопросы меню. Выполняется конфигурирование либо с рабочей консоли оператора, либо с помощью специализированной или персональной ЭВМ, подключенной к системе. Надежность и живучесть функций рабочего места операторатехнолога обеспечивается введением резервной станции с организацией для неё доступа к информации по всем имеющимся зонам контроля. В системах управления технологическими процессами используются сети, являющееся разновидностями стандартного протокола Марпротокола автоматизации производства, разработанного компанией General Motors (США). С основными тенденциями мирового системостроения специалистыразработчики и руководители отраслей промышленности знакомятся на систематических международных семинарах-презентациях новейших средств автоматизации и программного обеспечения ведущих отечественных и зарубежных фирм под руководством Института проблем управления РАН (ИПУ РАН), а также на всемирных выставках «Автоматизация» (г. Москва) [3]. По данным этой публикации 10 лет назад, отмечалось: мало используются экспертные системы, адаптивные и робастные алгоритмы, системы оптимального управления. Новые опубликованные материалы за последние 5 лет говорят о решении многих упомянутых задачах, в том числе в строительной промышленности.

Раздел 1

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ ОБ АВТОМАТИЗАЦИИ НА ПРЕДПРИЯТИЯХ СТРОИТЕЛЬНОЙ ИНДУСТРИИ

1. НЕКОТОРЫЕ ОБЩИЕ ПРИНЦИПЫ АВТОМАТИЗАЦИИ ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ ПРОЦЕССОВ В СТРОИТЕЛЬНОЙ ИНДУСТРИИ 1.1. Строительство как одна из ведущих отраслей народного хозяйства страны Строительство является отраслью народного хозяйства, относящейся к сфере материального производства. Продукция строительства является законченной и подготовленной к вводу в эксплуатацию предприятий и сооружений: жилых домов, школ, больниц и других объектов. Строительство как отрасль народного хозяйства имеет свои специфические особенности, к которым относятся характер конечной продукции и значительная продолжительность технологического цикла производства, а также разнообразие объектов по назначению, размерам, планировке. И связано это с тем, что стройиндустрия как огромная отрасль народного хозяйства состоит из многих подотраслей: - переработки нерудных строительных материалов с целью получения компонентов ( заполнителей) для сырья других последующих подотраслей; - бетонного и железобетонного производств; - цементного производства; - кирпичного и керамического производств; - асфальтобетонного производства; - асбестоцементного производства; - стекольного производства и - многих других подотраслей для изготовления большого количества отделочных материалов, необходимых при строительстве гражданских и промышленных зданий и сооружений. Значительное влияние на процесс строительства, его сложность и стоимость оказывают такие факторы, как территориальные особенности,

связанные с характером местности и климатическими условиями.

1.2. Некоторая общность технологических процессов и систем автоматизации многих подотраслей строительной индустрии Работа каждого предприятия основана на производственных процессах, представляющих собой совокупность различных взаимосвязанных технологических процессов, представляющих операции обработки, транспортировки, хранения и контроля, при которых происходят физическое и химическое воздействия на сырьё и материалы с целью получения полуфабриката или готовой продукции. Характер этих воздействий определяется заданными технологическими требованиями: геометрическими размерами, плотностью и массой изделия, фракционным и химическим составами, прочностью, температурой и временем обработки и т. д. Производства бывают непрерывными, дискретными и непрерывнодискретными, что определяет соответствующий выбор необходимых систем автоматического регулирования. Каждое предприятие – это совокупность ряда потоков: сырья, материалов, энергии, трудовых ресурсов, финансов, транспортных средств, технологической и экономической информации. Производственный процесс предприятия подвергается случайным внешним и внутренним воздействиям с колебаниями потоков энергии, количества и качества сырья, трудовых ресурсов, изменением параметров оборудования и метеоусловий и т.д. Таким образом, структура предприятия как динамическая система может быть представлена, как показано на рис. 1.1. На входы его подаются различные ресурсы (трудовые и финансовые, сырьё, материалы и энергия) и информационные воздействия в виде технологических и экономических требований, регламентирующих ход и конечный результат производственного процесса. Одновременно на производственный процесс воздействуют возмущения, которые хотя и носят случайный характер, но приводят к отклонению параметров технологических процессов за установленные пределы и тем ухудшают качество продукции. На выходе из предприятия готовая продукция должна отвечать заданным технологическим и экономическим требованиям, что достигается с помощью автоматической системы управления, устраняя

вредное воздействие возмущений. Основные виды продукции предприятий строительной индустрии следующие: бетонные и железобетонные изделия и конструкции, металлические изделия и конструкции, деревянные изделия, асбестоцементные изделия, стекло; продукция предприятий строительных материалов: щебень, кирпич, керамзит, товарный бетон, строительный раствор, известь, минеральные изделия, линолеум и др. Информационные воздействия: технологические и экономические требования

Ресурсы: сырьё, материалы, энергия, труд, финансы

Предприятие

Готовая продукция

Внешние и внутренние возмущения

Рис. 1.1. Структурная схема предприятия как динамической системы

Можно установить общность различных предприятий строительной индустрии в использовании подобных или одинаковых по своей физической сущности технологических процессов, при автоматизации которых могут быть использованы общие принципы. Это положение иллюстрирует табл. 1.1. Технологические процессы предприятий строительной индустрии связаны с использованием типового оборудования, основные задачи автоматизации которого указаны в табл. 1.2 [4]. Из перечня только основных задач автомотизации технологических процессов видно, насколько широк должен быть круг методов контроля, управления, регулирования и разнообразен комплекс технических средств и приборов автоматики, используемых на предприятиях строительной индустрии [4].

Таблица 1.1

металлических конструкций

Изделий из минеральной ваты мягкой кровли

пластмассовых изделий

древесностружечных плит

и товарного бетона раствора

Технологические процессы

железобетонны х изделий

Технологические процессы на предприятиях стройиндустрии Предприятия для производства

Складирование исходных + + + + + + + материалов Дробление, измельчение, – – + – + + – сортировка Дозирование + + + + + + + (взвешивание) Смешивание + + + – + + + Арматурно-сварочные + – – – – – + работы Транспортировка + + + + + + + материалов, сырья и смесей к местам использования Формовка, вальцевание, + – + + + + – прессование, уплотнение Тепловая обработка + – + + + + + Складирование готовой + – + + + + + продукции Учет сырья и готовой + + + + + + + продукции Примечание. Знаком « + » отмечены используемые технологические процессы на указанных предприятиях. Таблица 1.2 Основные задачи автоматизации технологических процессов и оборудования Технологические Типовое Основные задачи автоматизации процессы оборудование 1 2 3 Бункер Контроль уровня материалов, автоматизация процессов загрузки и выгрузки Складирование и учёт исходных материалов Силосы Контроль уровня цемента, автоматизация процессов загрузки, выгрузки и перекачки Сбрасывающие Автоматическое управление тележки маятниковым движением в зоне загрузки

Продолжение табл. 1.2 1

Дробление, измельчение и сортировка

2 Реверсивные конвейеры Оборудование приёмки и разгрузки материалов Питатели Дробилки

Грохоты Дозаторы дискретного действия

3 Автоматическое управление перемещением и потоком материала Контроль перемещения железнодорожных вагонов, автоматическое управление маневровой лебёдкой и механизмами бурорыхлительной машины Автоматический контроль металлических включений, регулирование производительности Автоматический контроль режима работы, давления масла, оптимизация процесса Контроль гранулометрического состава готовой продукции, оптимизация процесса Автоматическое управление питателями, входными и выходными затворами

Дозирование и взвешивание

Дозирование и взвешивание

Смешивание

Арматурно-сварочные работы

Дозаторы дискретного действия Дозаторы непрерывного действия Конвейерные весы Вагонные и автомобильные весы Смесители дискретного действия Смесители непрерывного действия Сварочные машины и аппараты

Автоматическое управление питателями, входными и выходными затворами Автоматическое регулирование производительности Автоматический контроль массы материала, движущегося в потоке Автоматический контроль массы материала в железнодорожных вагонах и автотранспорте Автоматизация процессов загрузки, перемешивания и выгрузки Автоматическая стабилизация качества смеси Автоматическая стабилизация и контроль тока сварки. Программное управление последовательностью операций

Окончание табл. 1.2 1

Транспортировка материалов, сырья и смесей

2 Намоточные машины напряженной арматуры Автоматическа я поточная линия для сварки арматурных сеток Конвейерный транспорт Пневматическ ий транспорт Самоходные тележки

Формование, вальцевание, прессование и уплотнение

Тепловая обработка

Складирование и учет готовой продукции

3 Автоматическая стабилизация натяжения арматуры Программное управление линией и циклом сварки. Автоматическая стабилизация тока сварки

Контроль скорости, наличия материала, последовательное включение и отключение конвейеров Контроль давления воздуха, последовательное включение и отключение пневматических устройств Контроль перемещения, автоматическое адресование в заданный пункт

Вибрационная Автоматизация процессов укладки и установка виброуплотнения бетонной смеси Прессовальные Автоматическое управление станки механизмом прессования и питателем Центрифуги Автоматическое управление приводом центрифуги и механизмами ложкового питателя Вибропрокатн Автоматический контроль и ые станки стабилизация температуры в непрерывной камере термовлажностной обработки Автоклавы Автоматический контроль и программное регулирование температуры и давления пара Пропарочные Автоматический контроль и камеры программное регулирование температуры в камере Кассетные Автоматический контроль и установки программное регулирование температуры пара Мостовые Контроль перемещения, краны автоматическое управление передвижением моста, тележки и механизмов подъёма грузов

1.3. Общие сведения об автоматизации производства в основных производящих подотрослях стройиндустрии 1.3.1. Важнейшие технологические процессы и основы их автоматизации Как следует из табл. 1.1 и 1.2, для многих подотрослей стройиндустрии есть общие по функциональному назначению технологические процессы и часто они осуществляются на оборудовании, схожем по принципу действия и конструктивному исполнению. Система управления, выбранная для достижения поставленной цели, в сочетании с комплексом технических средств для изменения, регулирования, сбора информации и человеком-оператором образует автоматизированную систему управления. Успешное развитие кибернетики позволило применить в автоматических системах новый принцип управления, названный принципом адаптации (приспособления), более совершенный по сравнению с принципами управления по отклонению и по возмущению. Отличительные особенности этого принципа рассмотрим на примере самонастраивающейся автоматической системы управления (рис. 1.2), которая состоит из основной системы и дополнительных устройств. Основная система построена на принципе управления по отклонению и включает в себя объект управления (ОУ) и автоматическое управляющее устройство (АУУ). На вход системы вместе с полезным сигналом Ψ поступает сигнал помехи n(t). На объект управления действуют возмущения λ, а динамические характеристики его изменяются в широких пределах. ЭВМ

УАС

ИУ

УАО

U

λ

σ АУУ

Ψ+n(t)

ОУ

Обратная связь

Рис. 1.2. Структурная схема самонастраивающейся системы управления

Для достижения требуемых показателей качества процесса управления к основной системе подключены следующие дополнительные устройства, образующие контур самонастройки: - устройство анализа входного сигнала (УАС) для оценки свойств входного сигнала и помехи; - устройство анализа объекта (УАО) для оценки изменения динамических характеристик; - вычислительное устройство (ЭВМ) для определения способа изменения параметров, структуры или законов управления на основе критериев оптимальности системы и информации о сигнале и объекте; - исполнительное устройство контура самонастройки (ИУ), выполняющее функцию настройки управляющего устройства. Воздействие самонастройки является функцией многих переменных: U = F (φ, Ψ, n, μ, t), поэтому работу контура самонастройки можно представить как процесс автоматической настройки управляющего устройства основной системы по совокупности текущей информации об изменяющихся условиях работы для достижения поставленной цели управления. В тех случаях, когда технологический процесс осуществляют несколько взаимосвязанных агрегатов и установок, для его автоматизации можно использовать системы, имеющие различную структуру: децентрализованную, централизованную и иерархическую. В децентрализованной системе (рис. 1.3, а) обеспечивается управление отдельными агрегатами (А) или установками посредством локальных автоматических систем контроля, управления и регулирования (ЛУ). Координацию работы локальных систем осуществляют операторы, используя средства оперативной связи. В централизованной системе (рис. 1.3, б) обеспечивается координированное управление отдельными агрегатами и установками посредством комплексных устройств автоматического контроля, управления и регулирования (ЦУ). В таких системах используются машины централизованного контроля и многоканальные регуляторы, а в дальнейшем нашли применение управляющие вычислительные микромашины и мини-машины. Здесь оператор лишь наблюдает за ходом технологического процесса и контролирует исправность технических средств системы. В иерархической системе (рис. 1.3, в) обеспечивается управление отдельными агрегатами и установками посредством локальных автоматических систем контроля, управления и регулирования, представляющий нижний уровень иерархии. Координирование локальных

систем с целью оптимизации режимов технологического процесса по выбранным критериям осуществляется централизованно на более высоком уровне иерархии. Для этого используются ЭВМ, которые обрабатывают производственно-технологическую информацию и выдают задания локальным системам нижнего уровня. В многоуровневых системах оператор может непосредственно координировать работу локальных систем по рекомендации (совету) ЭВМ.

Рис. 1.3. Структурные схемы автоматического управления технологическим процессом: а – децентрализованная; б – централизованная; в – иерархическая

Централизованные системы и системы с иерархической структурой, охватывающие технологический комплекс агрегатов и установок единым управлением, называют автоматизированными системами управления технологическими процессами (АСУТП). Они могут быть подсистемами автоматизированной системы управления производством (АСУП). АСУП представляют собой автоматизированные организационноэкономические системы управления производством, основной задачей которых является обеспечение оптимального функционирования предприятия как единого целого за счет правильного выбора целей и путей их достижения, текущего и перспективного планирования, наилучшего распределения заданий между отдельными частями системы и обеспечения их четкого взаимодействия. Попутно АСУП должна решать задачи учета, отчетности, оплаты труда и пр. Основной эффект, который дает АСУП, возникает за счет полноты, своевременности и оптимальности принимаемых решений, что приводит к ликвидации организационных неполадок, снижению потерь, экономии управленческого труда. АСУП строят на базе ЭВМ общего назначения. Система должна иметь информационное, математическое и техническое обеспечение. Из краткого обзора видно, что автоматические системы могут существенно различаться по свойствам и структуре. Поэтому эффективная

автоматизация производства возможна только при следующих научных основах: 1. Изучение закономерностей объектов управления, их динамических и статических свойств, зависимости их поведения при внешних воздействиях. Без знания свойств объекта управления невозможно создать эффективную систему автоматизации производства. 2. Определение экономически целесообразных методов автоматического управления для достижения заданной цели. Это может диктоваться технологическими и экономическими соображениями. Многие современные технологические процессы неосуществимы без систем автоматического управления. При этом учитывается, что система автоматического управления процессом может обеспечить максимум производительности, высокое качество продукции, экономию материалов и энергии, снижение себестоимости продукции и пр. В некоторых случаях цели автоматической системы могут ограничиться контролем параметров процесса и их регистрацией, защитой и блокировкой оборудования, участвующего в процессе производства. Автоматическая регистрация технологических параметров позволяет обслуживающему персоналу следить за ходом процесса и вносить соответствующие коррективы в случае необходимости. 3. После изучения свойств объекта и определения объема автоматизации ставится задача создания автоматической системы. Она включает в себя ряд разделов, например построение наиболее приемлемой структуры, исследование автоматической системы на цифровой модели с определением необходимых параметров настройки, обеспечивающих заданную работу. Теоретическими основами при решении этой задачи являются теории алгоритмов, автоматического управления, конечных автоматов, релейных устройств, математическая логика и др. 1.3.2. Автоматические системы управления объектами непрерывного действия В объектах непрерывного действия можно выделить параметры, характеризующие технический процесс, которые поддерживаются на заданном уровне или изменяются по определенному закону. В системе, включающей объекты непрерывного действия, между входными и выходными величинами всех элементов существует непрерывная функциональная связь. Выходные величины всех элементов в этих случаях в каждый момент времени определяются значениями входных величин. В общем виде автоматическую систему управления можно характеризовать рядом параметров, представляющих ее обобщенные координаты:

· управляемые величины φ1(t), φ2(t), …, φn(t); · управляемые воздействия μ1(t), μ2(t), …, μn(t); · возмущающие воздействия λ1(t), λ2(t), …, λn(t). Эти параметры можно рассматривать как компоненты соответствующих векторов φ(t), μ(t), λ(t). В любой момент времени состояние управляемой системы является функцией начального состояния управляемой величины φ(t0) и векторов μ(t, t0), λ(t, t0), т. е. φ(t) = F[φ(t0); μ(t, t0); λ(t, t0)]. Это выражение является математической моделью управляемой системы. Его можно представить в виде дифференциального уравнения dj = F [j ( t ); m ( t ); l ( t )]. dt

Решением задачи управления является определение вектора управляющего воздействия μ(t), обеспечивающего функционирование системы. Зависимость вектора управляющего воздействия от векторов управляемых величин, возмущающих воздействий и времени называется алгоритмом управления t. m (t ) = M [j (t ); l (t ); t ].

Решить данную задачу в общем виде не всегда возможно, поэтому ее упрощают, рассматривая частный случай управления – регулирование. При регулировании по отклонению может быть ошибка управляемой величины ε(t). Тогда алгоритм управления можно представить как функцию ошибки в ε(t) и времени t, т. е. m (t ) = M [e (t );t ].

Система автоматического управления состоит из двух частей: объекта управления непрерывного действия ОУ и автоматического регулятора АР (рис.1.4). Разработка и проектирование автоматических систем управления содержит следующие этапы: § изучение объекта управления, условий его работы, определение характеристик и параметров, построение структурной схемы, вывод уравнения объекта (математической модели); § формулирование требований к системе управления; § выбор первоначальной схемы управления; § выбор элементной базы системы; § вывод уравнений динамики и статики автоматической системы

управления; § исследование динамики автоматической системы управления; § уточнение структурной схемы автоматической системы управления на основании исследования ее динамических свойств.

Рис. 1.4. Структурная схема автоматического управления объектом непрерывного действия: Д - датчик; ЗУ - задающее устройство; СУ - сравнивающее устройство; АУУ - автоматическое управляющее устройство; ИМ - исполнительный механизм; РО регулирующий орган; ОС - обратная связь; ОУ -объект управления (управляемая система); АР -автоматический регулятор (управляющая система)

Существуют два основных подхода к анализу управления технологическими процессами: аналитический и экспериментальный. При аналитическом подходе, т. е. при построении математической модели системы, необходимо получить реакцию системы на любое возмущение. Экспериментальный подход обеспечивает более точные результаты при исследовании сложных объектов. Наиболее целесообразным является сочетание аналитических и экспериментальных методов составления математических описаний. В зависимости от степени определенности связей входных и выходных параметров модели разделяются на детерминированные и статистические. В статистических моделях соотношения, описывающие их свойства, имеют вид корреляционных и регрессионных соотношений между входными и выходными параметрами объекта.

Математическое описание объекта можно выполнить на основании анализа физико-химических закономерностей протекающих в нем процессов или по результатам исследований. Математическая модель технологического процесса имеет вид j = F (y , m , l ),

где Ψ – задающее воздействие. По виду уравнений различают модели, описываемые алгебраическими или трансцендентными уравнениями, обыкновенными дифференциальными уравнениями (для сосредоточенных объектов), дифференциальными уравнениями в частных производных (для объектов с распределенными параметрами) и уравнениями в конечных разностях (для объектов с импульсным регулированием). Методика составления дифференциального уравнения детерминированного объекта управления складывается из следующих этапов: Ö выбираются обобщенные параметры объекта и начало отсчета; Ö определяются физико-химические закономерности, которым подчиняются данные технологические процессы (основные закономерности приведены в табл. 1.3); Ö на основе принятого закона составляются уравнения динамики, статики и уравнения в приращениях; Ö выявляются факторы, влияющие на входные и выходные величины объектов управления; Ö производится линеаризация уравнения (при наличии нелинейных характеристик) путем разложения его в ряд Тейлора и исключения членов уравнения, имеющих малости высшего порядка; Ö осуществляется переход к относительным переменным величинам

и безразмерным коэффициентам; Ö приводится дифференциальное уравнение объекта управления к

нормализованному виду. Таблица 1.3 Исходные соотношения для составления уравнений динамики объектов Физические процессы, характерные для объектов

Исходные уравнения

Условные обозначения

1

2

3

Окончание табл. 1.3 1

2

Поступательное движение

Вращательное движение

Наполнение жидкостью опорожнение

dw =M dt

Jи

сосудов и их

Наполнение сосудов газами и их опорожнение

Нагрев и охлаждение тел

Сушка, выпаривание увлажнение материалов

dv =P dt

m

dH F= Q p dt

V dp = Gp Rr T dt

cG

и

G

dq = QT dt

dW = WВ dt

Растворение и оседание dh V = Gp веществ dt Прохождение тока в цепи

L

di = u - iR dt

3 m–масса; v–линейная скорость; P–действующая сила; t–время J и –момент инерции; w –угловая скорость; M–действующий момент F–площадь уровня; H–уровень; Q p –объемный расход V–объем сосуда; Rr –газовая постоянная; T–абсолютная температура; p–давление газа; G p –расход газа массовый c–удельная теплоемкость тела; G–масса тела; q – температура; QT –тепловой поток WВ –относительная влажность на абсолютную массу; W –количество поступающей влаги в единицу времени; G–масса абсолютного сухого тела h –концентрация вещества; V–объем растворителя; Gp–расход сухих веществ в единицу времени L–коэффициент самоиндукции; i–сила тока; u–напряжение; R–сопротивление

Общее решение такого уравнения позволяет рассчитать и построить переходный процесс, определить численные значения основных параметров объекта: коэффициента усиления k, постоянной времени Т и времени запаздывания τ. Для простых объектов распространены следующие аппроксимации

передаточных функций: 1 ; Tp k статический объект W ( p ) = ; Tp + 1

астатический объект W ( p ) =

1 - pt e ; Tp k e - pt . статический объект с запаздыванием W ( p) = Tp + 1

астатический объект с запаздыванием W ( p) =

Уравнения динамики более сложных типовых объектов управления приведены в табл. 1.4. Динамические характеристики объектов управления могут быть получены и экспериментальными методами. Для этого строятся кривые разгона при ступенчатом, импульсном или гармоническом воздействиях на вход объекта. Для более сложных вероятностных многомерных объектов управления планируют и проводят активный или пассивный многофакторный эксперимент. На основании предварительного ознакомления с объектом составляется его априорная структурная схема и планируются активный эксперимент, который сводится к выбору вида воздействия (ступенчатое, импульсное, синусоидальное), амплитуды испытательного сигнала (5–15% его максимума) и число необходимых опытов. Для линейных объектов уравнения статики аппроксимируются зависимостью у = а0 + а1х1 +а2х2. Для нелинейных объектов уравнения статики линеаризируются разложением в ряд Тейлора. Для нелинейных систем используются регрессионный анализ, факторный эксперимент и эволюционное планирование. Пассивный эксперимент основан на наблюдении за текущими входными и выходными сигналами при нормальной эксплуатации. Сигналы при этом носят случайный характер. Статическая характеристика объекта аппроксимируется выражением у = f (xi, zj), где хi – контролируемые входные сигналы; zj – неконтролируемые входные сигналы.

Определение коэффициентов статических характеристик или

у = а0 + а1х у = а0 + а1х +a2x2

осуществляется статистическими методами, основанными на корреляционном и регрессионном анализах. Динамические характеристики объекта определяются статистическим методом в три этапа: - фиксируются случайные входы и выходы объекта; - вычисляются по полученным данным корреляционные функции Rx(τ – Ө), Rxy (τ) и спектральные плотности Sx (ω) и Sxy (ω); - находятся значения передаточной функции W ( jw) =

S xy ( jw) S x ( jw)

.

После составления математической модели объекта управления и определения численных значений его основных параметров формулируются требования к автоматической системе управления, которыми являются: - запас устойчивости системы; - величина ошибки в установившемся состоянии (статическая точность); - поведение системы в переходном процессе (условия качества управления); - динамическая точность системы, т. е. величина ошибок при непрерывно изменяющихся воздействиях. Эти требования являются основанием для выбора закона регулирования. Затем в соответствии с задачей управления и требованиями к системе составляется предварительная функциональная схема автоматической системы управления объектом. Для этого можно воспользоваться типовой схемой управления (см. рис. 1.4), в соответствии с которой выбираются отдельные ее элементы. Основным элементом является автоматический регулятор, в состав которого входят чувствительный элемент (датчик), задающее устройство (ЗУ), сравнивающее устройство (СУ), автоматическое устройство управления (АУУ) и исполнительный механизм. Регулятор выбирается по методикам, описанным во многих книгах.

Передаточные функции и параметры настройки промышленных регуляторов непрерывного действия приведены в табл.1.5. Таблица 1.4. Управления динамики сложных объектов управления Тип объекта Управление динамики объекта Условные обозначения управление управления ² ¢ Двухъемкостный Весы, дозаторы T1T2j1 + ( A1T1 + A2T1 )j1 + A1 A2j1 = непрерывного действия, = m2 - T2l ¢ - ( A2 + 1)l; вибрационные площадки, ² ¢ T1T2j2 + ( A1T2 + A2T1 )j2 + A1 A2j2 = система Г – Д регулирования скорости двигателя = m1 - T1l ¢ - ( A2 +1)l постоянного тока С транспортным ¢ Ленточные конвейеры, Tj1 + Aj = m (t - t ) - l запаздыванием шнеки, дозаторы непрерывного действия при постоянной скорости, трубопроводы средней длины С двумя Сушилки, печи, 1 1 1 ¢ = + + + j m m j 1 1 2 1 регулируемыми полимеризационные камеры, ¢ T11 T12 T11 величинами редукционные 1 1 охладительные установки, + j 2 - l1 ; ¢ шаровые мельницы с T1 T12 замкнутым циклом 1 1 1 ¢ = j2 m1 + m2 + j + ¢ 1 T21 T22 T21

+

1 T22

¢

j2 -

1 l2 T3

С экстремальной характеристикой

¢ Tj1 + Aj - kj 2 = -l

С распределенными параметрами

¶ 2 Dj x ¶ 2 Dj x =a ¶i 2 ¶x 2

Дробилки, вагранки

Трубы большой длины, линии электропередач, пневмотранспорт, теплопередачи Примечание. Т, Т1,…, Т22 – постоянные времени объектов управления [Т1 = Т'11 = Т11/А; Т'12 = Т12/А; Т'21 = Т21/А; Т'22 =Т22/А]; А, А1, А2 – коэффициенты саморегулирования; φх – относительное значение регулируемой величины; t – время; τ – время запаздывания; a, k – коэффициенты.

Аппаратура, являющаяся материальной частью автоматической системы управления, должна выбираться из агрегатированных комплексов, входящих в государственную систему приборов. Она должна отвечать условиям эксплуатации и обеспечивать необходимую точность и надежность системы. Ее исполнение должно соответствовать

противопожарным требованиям и условиям техники безопасности. Выбор аппаратуры должен быть экономически обоснован. После выбора всех элементов системы и определения их уравнений или передаточных функций составляется уравнение динамики автоматической системы управления, исследование которого позволяет определить ее устойчивость. Для исследования устойчивости линейных систем применяются критерии Рауса, Гурвица, Михайлова и Найквиста. Из теории известно, что необходимым и достаточным условием устойчивости линейных автоматических систем является отрицательность вещественных частей корней ее характеристического уравнения. При наличии ЭВМ определение корней характеристического уравнения (с учетом их знаков) не представляет затруднений, поэтому отпадает необходимость в применении различных критериев устойчивости. Для синтеза систем рекомендуются методы логарифмическочастотных характеристик и D-разбиения. Таблица 1.5 Характеристики регуляторов непрерывного действия Тип регулятора непрерывного действия Статический Астатический

Закон регулирования П

Передаточная функция W p ( p)

Параметр настройки

kp

kp

И

kp

Tu

Tu p Изодромный Статический с первой производной Изодромный с первой производной

ПИ ПД ПИД

1 ) Tu p k p (1 + T Д p) k p (1 +

k p , Tu k p , TД

1 k p , Tu , T Д + T Д p) Tu p Примечание. kp – коэффициент усиления регулятора; Ти – время изодрома; ТД – время предварения. k p (1 +

Качество процессов регулирования определяется по интегральным критериям или по кривым переходных процессов. Нелинейные системы необходимо проверять на скользящий режим и при его наличии исследовать систему линейными методами. При отсутствии скользящего режима для исследования систем используются методы фазовой плоскости, гармонического баланса, графоаналитические методы Гольдфарба и Башкирова. При исследовании систем импульсного регулирования используются

методы разностных уравнений, дискретного преобразования Лапласа и Zпреобразования. В результате проведения аналитического или экспериментального исследования динамики процесса автоматического управления определяют, удовлетворяет ли система всем составленным для нее требованиям. В случае неудовлетворительной точности, надежности или устойчивости в структуру схемы автоматического управления вносятся требуемые изменения. Так, в случае неустойчивости системы включаются дополнительные последовательные или параллельные корректирующие звенья. Может быть изменена структура автоматической системы или применены другие методы управления. После внесения любых изменений структуры автоматические системы должны быть вновь исследованы на устойчивость и качество регулирования. 1.3.3. Автоматические системы управления объектами дискретного времени Объекты дискретного действия выполняют ряд рабочих операций, которые циклически повторяются в определенной последовательности. При автоматическом управлении такими объектами управляющие устройства осуществляют заданную логическую последовательность включения и отключения исполнительных механизмов. Поэтому такие системы называют автоматическими системами логико-программного управления. Синтез системы логико-программного управления выполняется по частям, для чего выделяются цепи воздействий на каждый исполнительный механизм. Функциональная структура таких цепей зависит от вида управления исполнительным механизмом, однако во всех случаях можно выделить блоки формирования командных (КС) и управляющих (УС) сигналов, а также блоки выходных коммутаторов (рис. 1.5, а). Входные и выходные сигналы каждого блока могут принимать только два значения (двоичные сигналы), условно соответствующие единице или нулю. Командные сигналы задают интервалы времени работы исполнительного механизма в различных режимах. Управляющие сигналы определяют характер воздействий на исполнительный механизм: непрерывный, периодический или импульсный. Выходные коммутаторы подключают обмотки исполнительного механизма к питающей цепи при воздействии управляющих сигналов. Например, в процессе автоматического управления требуется осуществлять непрерывные и периодические воздействия на электрический исполнительный механизм. В этом случае необходимо формировать два командных сигнала – КС1 и КС2, задающих интервалы времени работы в номинальном режиме и в режиме кратковременных

включений (рис. 1.5, б). Первый командный сигнал преобразуется в управляющий сигнал УС и воздействие УВ в результате усиления по мощности, второй – путем импульсной модуляции и усиления по мощности. При этом используют различные источники тока: для формирования командных и управляющих сигналов – источники постоянного тока, обеспечивающие стабильное напряжение до 24 В; для формирования управляющих воздействий – источники переменного тока с напряжением до 380 В. Поэтому низковольтные блоки формирования КС и УС не должны иметь гальванической связи с блоками выходных коммутаторов.

Рис. 1.5. Взаимодействие основных блоков системы логико-программного управления: а – структурная схема цепи воздействия на исполнительный механизм; б – временные диаграммы формирования сигналов и воздействий (n,m)-полюсник X1 X2 X3 X4

L1 W1

L3

y1

L2

W2

y2

Рис. 1.6. Алгоритмическая структура блока формирования двоичных сигналов

Блок формирования командных или управляющих сигналов в общем случае представляет собой ориентировочный (n, m)-полюсник, который преобразует п последовательностей входных сигналов х1, х2, ..., хп в т последовательностей выходных сигналов y1, у2, ..., ут (рис. 1.6) [5]. Такой (п, m)-полюсник можно представить в виде логической сети, содержащей

комбинационные и временные операторы. Комбинационные операторы L1, L2, L3 отображают логическую связь между выходными и входными сигналами, которая записывается с помощью символов булевой алгебры (табл. 1.6). Временные операторы W1, W2 отображают зависимость между входными и выходными сигналами во времени. Таблица 1.6 Логическая связь между сигналами v = aÚb

Комбинационные операции и операторы Условное Наименование обозначение комбинационных комбинационных операций операций Дизъюнкция Dis (a, b)

v = a ×b

Конъюнкция

Con (a, b)

v=a

Инверсия

Inv (a, b)

Графическое изображение комбинационных операторов

Символическую запись, указывающую, в какой последовательности требуется выполнить комбинационные и временные операции с двоичными сигналами для преобразования входных сигналов в выходные, будем называть алгоритмом формирования командных или управляющих сигналов. Каждому алгоритму формирования выходного сигнала блока соответствует определенная логическая сеть комбинационных и временных операторов, представляющая алгоритмическую структуру блока. Основная задача синтеза систем логико-программного управления заключается в определении алгоритмической структуры блоков формирования командных и управляющих сигналов. В объектах дискретного действия применяют нерегулируемые электрические исполнительные механизмы, которые работают в номинальном режиме или в двух режимах: номинальном и при пониженной скорости. Режим пониженной скорости используют для более точной отработки задания автоматической системой. При управлении электромагнитными клапанами и односкоростными электродвигателями такой режим осуществляется кратковременными включениями исполнительных механизмов. В общем случае для управления исполнительными механизмами объектов дискретного действия требуется формировать командные

сигналы номинального режима работы А1, режима пониженной скорости А2, включения вперед В1 и включения назад В2. При этом управляющий сигнал U может быть непрерывным, периодическим или импульсным. На основании анализа функциональной структуры управления электрическими исполнительными механизмами, которые используются на предприятиях строительной индустрии (табл. 1.7), можно указать пять типовых формирователей непрерывных или периодических управляющих сигналов. Для формирования импульсных управляющих сигналов необходимо выделять начало или окончание непрерывных и периодических сигналов, как это показано на функциональной структуре управления электромагнитным клапаном с защелкой. Алгоритмы формирования командных сигналов зависят от характеристики объекта и вида управления исполнительным механизмом. Для объектов дискретного действия основными видами управления являются шаговое, временное, блокированное, селекторное, стартстопное, цифровое и аналоговое. При шаговом управлении формируется серия командных импульсов, число которых определяет угол поворота вала шагового исполнительного механизма. При временном управлении исполнительный механизм М может включаться с задержкой относительно начала пускового сигнала Р или отключаться с задержкой после его окончания. Эти задержки могут быть реализованы совместно. Кроме того, исполнительный механизм может включаться на определенный интервал времени после начала пускового сигнала или его окончания. В первом случае алгоритм формирования командного сигнала включения исполнительного механизма зависит от соотношения длительности пускового τР и командного τм сигналов. При блокированном управлении командные сигналы зависят от блокировочных связей между исполнительным механизмом и датчиками, переключателями и другими элементами системы, формирующими двоичные сигналы. Здесь используются датчики контроля давления, скорости, наличия и уровня материалов и т. п., имеющие релейную характеристику. Блокировочная связь может быть разрешающей или запрещающей включение исполнительного механизма М при определенных условиях, альтернативной и комбинированной. При этом алгоритмы формирования командных сигналов включения механизма М определяются логической связью между сигналами разрешающей и инвертированными сигналами запрещающей блокировок.

Таблица 1.7 Функциональная структура управления электрическими исполнительными механизмами Исполнительный механизм

Функциональная структура управления работа в номинальном работа в двух режимах режиме

Электромагнитный клапан

Электромагнитный клапан с защелкой

Нереверсивный электродвигатель трехфазный

Реверсивный электродвигатель трехфазный

Нереверсивный электродвигатель двухскоростной

Реверсивный электродвигатель двухскоростной

В режиме пониженной скорости вместо сигнала А1 подается сигнал А2

То же

Примечания: 1. Цифры 1 – 5 указывают тип формирования УС. 2. Imp – выделения окончания сигнала.

В качестве примера блокированного управления рассмотрим комплекс, содержащий три исполнительных механизма. Резервный исполнительный механизм МЗ включается, если не работает один из двух основных исполнительных механизмов. В этом случае осуществляется альтернативная блокировочная связь исполнительного механизма МЗ с элементами, характеризующими состояние (работает или не работает) основных исполнительных механизмов: M1 – сигнал v1 и М2 – сигнал v2. При наличии только одного из указанных блокировочных сигналов включается резервный исполнительный механизм МЗ. При селекторном управлении командные сигналы включения исполнительного механизма М формируются по совпадению селектирующего сигнала с сигналами, определяющими переход управляемого объекта в заданное состояние. Для этого вида управления характерно несколько однотипных состояний управляемого объекта, каждое из которых может контролироваться одним или двумя путевыми датчиками. При управлении нереверсивным электродвигателем используется один датчик, сигнал которого si равен единице только в i-м состоянии управляемого объекта. При управлении реверсивным электродвигателем используются два датчика с механическим запоминанием срабатывания: в левой ориентации сигналы датчиков si и ri равны нулю, а в правой – единице. В этом случае i-е состояние определяется равенствами si = 1; ri = 0. Выделяя интервал φi между левой и правой ориентациями обоих датчиков j i = Int [( 0 ® 1) ri - (1 ® 0 ) s i ],

можно обеспечить маятниковое движение в пределах зоны, ограниченной датчиками, при подаче пускового сигнала Р [5]. При стартстопном управлении начало командного сигнала определяется стартовым сигналом S, а окончание – сигналом остановки R. В этом случае алгоритм формирования командных сигналов в основном определяется временным соотношением между сигналами S и R. Если каждый такт временной диаграммы отличается от других комбинациями значений сигналов S и R, то формирования командных сигналов можно осуществлять комбинационными операторами. При других временных соотношениях между сигналами S и R формирование командных сигналов производится временными операторами выделения интервалов. Цифровое и аналоговое управление осуществляется по рассогласованию между заданным и истинным значениями координаты, характеризующей состояние объекта. При цифровом управлении возможны два основные варианта построения функциональной структуры [5]. В первом варианте (рис. 1.7, а)

контроль координаты производится аналого-цифровым преобразователем, а рассогласование определяется двоичным сумматором, выполняющим алгебраическое сложение двоичных кодов задания b1 – b2 и координаты а1 – ап. Во втором варианте (рис. 1.7, б) контроль координаты производится число-импульсным преобразователем, а рассогласование определяется реверсивным двоичным счетчиком, выполняющим алгебраическое сложение двоичного кода задания и числоимпульсного (унитарного) кода координаты.

Рис. 1.7. Структурные схемы взаимодействия блоков при цифровом управлении: а – контроль координаты аналого-цифровым преобразователем; б – контроль координаты числоимпульсным преобразователем

В процессе отработки задания значение координаты, характеризующей состояние объекта с двухскоростным исполнительным механизмом, может находиться в пределах зоны номинального режима, режима пониженной скорости, нечувствительности или выбега. Для формирования командных сигналов разряды с1, с2, ..., ск, ...,сп кода рассогласования делят на две группы, соответствующие зонам режима пониженной скорости (с1 – сk) и номинального режима (ck+t – сn). Кроме того, используется сигнал сп+1 разряда знака, характеризующий соотношение между кодами задания и координаты. Алгоритмы формирования командных сигналов составляют по значениям сигналов, характеризующих рассогласование в пределах зоны номинального режима и режима пониженной скорости. При аналоговом управлении физической величиной-аналогом, моделирующим рассогласование, наиболее часто является электрическое напряжение или ток в нагрузке фазочувствительного усилителя. В этом случае контроль координаты осуществляют резисторными или

индуктивными датчиками, а задание требуемого значения координаты – задатчиком (рис. 1.8, а). Контроль и задание координаты можно осуществлять сельсином-приемником и сельсином-датчиком, соединенными по трансформаторной схеме (рис. 1.8, б). Командные сигналы номинального режима М1 и режима пониженной скорости М2 формируются по выходным двоичным сигналам V1 и V0 релейного элемента и нуль-органа: M1=V1 (V1=1 при Up ≥Uc); M2= V1V0 (V0=1 при Vp >0), где Up – сигнал рассогласования на выходе фазочувствительного усилителя; Uc – порог срабатывания релейного элемента.

Рис. 1.8. Структурные схемы взаимодействия элементов при аналоговом управлении: а – контроль координаты резисторными или индуктивными датчиками; б – контроль и задание координаты сельсинами

Цифровое и аналоговое управление применяют в тех случаях, когда значение координаты, характеризующей состояние объекта, необходимо контролировать с высокой точностью в широком диапазоне. Например, чтобы при селекторном управлении реверсивным двигателем получить такую же точность отработки задания, которую обеспечивает семиразрядная цифровая система управления, требуется установить 256 датчиков. Практически это нецелесообразно и бывает просто

неосуществимо из-за ограниченных габаритов технических устройств. Следует отметить, что цифровое управление позволяет получать более точную отработку задания, чем аналоговое управление. В заключение можно указать методику разработки блоков формирования командных сигналов (рис. 1.9). Анализ управляемого объекта

Цифровое управление Аналоговое управление

Алгоритмы формирования КС

Селекторное управление

Блокированное управление

Изменение состояния объекта

Выбор входных сигналов

Алгоритмы формирования КС

Определение логических связей Алгоритмы формирования КС

Временное управление Стартстопное управление

Выбор входных сигналов Анализ временных диаграмм Алгоритмы формирования КС

Алгоритмическая структура блока формирования КС

Функциональные компоненты блока формирования КС Принципиальная схема блока формирования КС

Рис. 1.9. Последовательность разработки блоков формирования командных сигналов

В результате анализа управляемого объекта дискретного действия устанавливается вид автоматического управления каждым исполнительным механизмом. При цифровом и аналоговом управлении алгоритмы формирования КС однозначно определяются видами управления. При селекторном управлении алгоритмы формирования КС зависят от характера изменения состояния объекта. При блокированном управлении необходимо произвести выбор входных сигналов блока и определить логическую связь между ними, затем записать алгоритмы формирования КС. При временном и стартстопном управлении по выбранным входным сигналам блока строят временные диаграммы, в результате анализа

которых можно записать алгоритмы формирования командных сигналов. На основании полученных алгоритмов формирования КС разрабатывают логическую сеть комбинационных и временных операторов, характеризующую алгоритмическую структуру блока формирования КС. Принципиальную схему блока составляют путем замены комбинационных и временных операторов алгоритмической структуры функциональными компонентами, реализующими требуемые операции. При этом можно использовать типовые бесконтактные элементы или релейноконтактные схемы. Кроме основных функциональных компонентов применяют также вспомогательные элементы, необходимые для согласования по входам, усиления выходных сигналов или повышения устойчивости аппаратуры по отношению к импульсным помехам. 1.3.4. Автоматические системы контроля Автоматические системы, выполняющие функции контроля, называются автоматическими системами контроля (АСК) и являются одним из видов информационно-измерительных систем. Под контролем понимается процесс получения информации о состоянии объекта путем сравнения значений измеряемых параметров с допустимыми. АСК применяются в том случае, когда объект (агрегат, цех) имеет большое число точек контроля, определяющих ход процесса, или процесс очень быстротечен. В функцию АСК входят измерение большого числа параметров, сравнение их с допустимыми значениями (уставками), регистрация значений или отклонений от уставок, сигнализация о ненормальных режимах, выдача информации на устройство отображения, на ЭВМ или на автоматическую систему управления. Все операции АСК производят по заданной программе, в исполнение которой может вмешаться оператор, нарушая обусловленную очередность и производя измерения в интересующих его точках. Каждая автоматическая система контроля характеризуется техническими параметрами, к которым относятся: характер физических величин, подлежащих контролю; число контролируемых точек; точность измерения; быстродействие системы; расстояние объекта контроля от пульта оператора; вид регистрации измеряемых величин; параметры входного и выходного сигналов; стоимость. АСК состоит из измерительных преобразователей (датчиков) и машины централизованного контроля (МЦК), получающей и обрабатывающей информацию от датчиков. В МЦК можно выделить основные функциональные узлы, выполняющие следующие операции: нормализацию входного сигнала, т. е. преобразование его к виду, соответствующему параметру входного

сигнала МЦК; переключение входных и выходных сигналов; задание уставок в виде потенциалов или цифровых кодов; обнаружение отклонений путем сравнения полученных сигналов с уставками; аналогоцифровое преобразование сигналов; цифровую регистрацию; сигнализацию и отображение информации; выдачу информации на автоматические системы управления; некоторые математические операции над поступающей информацией. Сигнал от измерительного преобразователя Д (рис. 1.10), являющийся функцией измеряемой величины, проходит ряд устройств, в каждом из которых над ним производятся определенные операции. Так, в устройстве нормализации Н входной сигнал изменяется до значения, необходимого для работы МЦК, т. е. вводится определенный масштабный коэффициент. Кроме того, устройство нормализации может менять форму сигнала, например выпрямлять сигнал переменного тока, который может быть при использовании ряда датчиков. В устройстве задания установок ЗУ имеется возможность получить два уровня напряжений для каждого канала, соответствующих границам допустимых значений измеряемой величины.

Рис. 1.10. Структурная схема одного канала МЦК: а – для сравнения аналоговым сигналом; б – для сравнения цифровым сигналом

Устройство обнаружения отклонений ОО сравнивает поступивший

сигнал с граничными уровнями и в случае выхода его за допустимые пределы, создает необходимое воздействие на последующие блоки (световой индикатор С). Аналого-цифровой преобразователь (АЦП) преобразует аналоговый сигнал в код, который подается на цифропечатающее (ЦПУ) или вычислительное устройство. Структурные схемы одного канала МЦК могут быть двух типов. Так, на схеме рис. 1.10, а аналоговый сигнал датчика через устройство нормализации подается на устройство обнаружения отклонений, где сравнивается с уровнями, подаваемыми из устройства задания уставок ЗУ. Этот же сигнал может быть преобразован с помощью АЦП и подан на ЦПУ. На рис. 1.10, б входной сигнал после нормирователя с помощью АЦП преобразуется в цифровой код, который в устройстве обнаружения отклонений сравнивается с уровнями блока уставок, подаваемыми в виде цифрового кода. Сигнал на автоматическое устройство управления может быть аналоговым (А), взятым от точки а, или цифровым (Ц) – от точки б.

Рис. 1.11. Упрощенная структурная схема МЦК

При построении многоканальных МЦК необходимо иметь минимум использованной аппаратуры. Это достигается путем построения обегающих МЦК, в которых производится многократное использование некоторых функциональных устройств, а информация от датчиков поступает в порядке очереди. Обегающий контроль значительно экономит аппаратуру, но создает интервалы между очередными обращениями к одной и той же точке контроля. Различное использование принципов обегания и цифрового преобразователя аналоговой информации приводит к ряду структурных схем

МЦК. Одна из наиболее простых схем показана на рис. 1.11. Она предназначена для обслуживания n датчиков. Сигналы от каждого датчика через нормирователи Н подаются на входной переключатель Пвх, соединяющий на определенное время датчик с устройствами ОО, АЦП, ЦПУ, ЗУ и С, которые за это время должны обслужить одну точку. Следовательно, быстродействие МЦК зависит от быстродействия отдельных блоков, особенно АЦП.

ЗУ

Д1

Д2

Пвх

Н

ОО

АЦП

С

ЦПУ

Дn

Рис. 1.12. Структурная схема МЦК с переменной скоростью входного переключателя

Чтобы увеличить быстродействие МЦК (рис. 1.12) при заданном быстродействии АЦП, можно идти двумя путями: 1) сравнение поступающего сигнала с заданными значениями вести в аналоговой форме, так как для этого необходимо меньше времени, чем для цикла работы АЦП; 2) выводить на печать не все значения контролируемых параметров, а только их отклонения за установленные пределы. Этим условиям отвечает схема, показанная на рис. 1.13. В ней Пвх останавливается на время, меньшее, чем требуется для АЦП, но достаточное для аналогового сравнения полного цикла входных сигналов с заданными уставками в устройстве ОО. Устройство же АЦП включается только при обнаружении недопустимых отклонений. При этом от ОО поступает команда на входной переключатель, который задерживается в таком положении на время, необходимое для цикла преобразования и печати. В тех случаях, когда замедление в обнаружении отклонений недопустимо, может быть использована схема МЦК с двумя входными переключателями (см. рис. 1.13). Переключатель Пвх1 обслуживает часть

схемы, выполняющую сравнение и подачу сигнала при обнаружении отклонений, а другой Пвх2 предназначен для регистрации параметров. При такой структуре Пвх1 может производить обегание значительно быстрее, чем Пвх2, или же Пвх2 в обычном ритме не работает, а запускается только тогда, когда необходимо вводить цифровой код в ЦПУ или на схему автоматического управления.

Рис. 1.13. Структурная схема МЦК с двумя входными переключателями

Упрощенные структурные схемы МЦК не дают полного представления о всех устройствах, входящих в состав машины, поэтому на рис. 1.14 показана полная типовая структурная схема. Конечно, эта схема не исчерпывает всех возможностей, но является достаточно универсальной. В ней сигналы датчиков через нормирователи Н преобразуются к уровню входного параметра МЦК. Так как датчики могут быть различного типа, то и нормирователи должны им соответствовать. Входной переключатель со скоростью, задаваемой блоком управления БУ, поочередно подает входные сигналы для последующей обработки. По команде БУ сигнал и уровни потенциалов поступают на блок ОО. В случае обнаружения отклонения от блока ОО сигнал подается на выходной переключатель Пвых, который переключается синхронно с Пвх. Следовательно, в любой момент времени к схеме подключен один из датчиков и соответствующий ему световой индикатор С, который будет работать только при наличии недопустимых отклонений. В этом случае

замедляется темп работ Пвх и Пвых и запускается ЦПУ, на которое подается цифровой код измеряемой величины от АЦП. В это же время включаются цифровое отсчетное устройство ЦУ и вычислительное устройство ВУ, если программа предусматривает какую-либо математическую обработку результатов измерений. Цифровые коды величин, подлежащих математической обработке, поступают в оперативную память вычислительного устройства, откуда по команде БУ могут быть выданы на ЦУ или ЦПУ.

Рис. 1.14. Полная типовая структурная схема МЦК

1.3.5. Комплексные системы автоматизации зданий и сооружений Выбор технических средств автоматизации при создании автоматических и автоматизированных систем управления зданиями и сооружениями должен основываться на современных средствах ГСП-2, которая в настоящее время получила мощное техническое развитие на микропроцессорной основе и обеспечила удобную среду обитания проживающих. Этому, в частности, способствует беспроводная система передачи информации. Информационная, конструктивная и энергетическая напряженности устройств ГСП ускоряют проектирование и создание систем автоматического контроля, регулирование управления.

Дальнейшим развитием ГСП является создание в рамках агрегатированных комплексов, представляющих собой рациональные ряды функционально законченных блоков и устройств для построения информационных – измерительных, управляющих и испытательных систем. Каждый комплекс содержит обоснованный минимум элементов, обеспечивающих возможность построения разнообразных устройств автоматики методом агрегатирования и совместного использования элементов различных комплексов. Агрегатные комплексы (АК) для построения АСУ ТП широко используют вычислительную технику. В таблице для АК приводятся некоторые агрегатные комплексы и данные их области применения. Быстрое развитие с конца 80-х гг. ХХ в. микроэлектроники и микропроцессорных устройств, нашедшее применение во всех технических системах, изменило представление и содержание принципов и основ управления процессами производства. АСУ ТП стали носить характер распределенных (территориально и функционально) систем управления (РСУ), в качестве узловых станций в которых используются промышленные ПЭВМ или рабочие станции операторские терминалы, программируемые контроллеры, серверы и др., а датчики и исполнительные устройства становятся интеллектуальными устройствами, осуществляющими получение, обработку и преобразование информации в цифровой сигнал вместе их установками, что резко повысило функциональные возможности и компактность устройств. Большое влияние на средства передачи информации оказывают глобальные сети Internet. Развитие систем непосредственного цифрового управления процессами выдвигает требования надежности, точности и быстродействия, что вызывает необходимость резервирования высокоточных систем (дублирование, троирование аппаратных и программных средств), датчиков и преобразователи измеряемых параметров процесса, быстродействующие процессы и сопроцессы для обработки и передачи сигналов и т. д. Появилась возможность интеграции АСУ ТП с автоматизированными системами управления предприятия АСУП, что, несомненно, будет способствовать повышению экономической эффективности РСУ. Снижение цен на микропроцессоры наряду с расширением их технических характеристик, развитием элементов памяти и микроэлектроники в целом привело к созданию программируемых микропроцессорных контроллеров (ПМК) различного назначения, специализированных микро- и мини-ЭВМ, моноблочных и модульных контроллеров, интеллектуальных терминалов и рабочих станций. Дальнейшей интеграции средств вычислительной техники для

совместного использования в структуре РСУ способствует выработка международных стандартов на протоколы передачи данных, способы кодирования информации, техническое и программное обеспечение систем управления и др. под руководством ISO (International Organization for Standardization – Международная организация по стандартизации, включающая более 70 национальных организаций по стандартизации). Большое влияние на средства передачи информации оказывают глобальные сети Internet. В последние годы наметилась интеграция АСУ ТП и АСУП на базе сервера БД РВ, являющегося ядром интегральной системы управления. Сформированная архитектура РСУ включает уровни датчиков и исполнительных механизмов (уровень 0 или полевой уровень), устройства связи с объектом (1-й уровень), контроллеров (2-й уровень) и автоматизированных рабочих мест (АРМ) оператора (3-й уровень или диспетчерский уровень). В последние годы, однако, это архитектура претерпевает существенные изменения. Все большее число фирм (OSI Soft, Siemens, Iconics и ряд др.) поставляют на рынок промышленной автоматизации законченные решения по автоматизации технологических процессов и предприятий в целом, обеспечивая как горизонтальную, так и вертикальную интеграцию вычислительных ресурсов с использованием единой базы данных (сервера) для решения всего комплекса задач управления предприятием. Располагаясь в иерархической структуре РСУ между 3-м уровнем и уровнем АСУП (4-й административный или бизнесуровень), сервер единой базы данных трансформирует информацию с нижних уровней, в том числе от систем АСКУЭ – автоматизированной системы контроля и учета энергоресурсов, АСОДУ – автоматизированной системы оперативно-диспетчерского управления и др., передает ее в унифицированном виде на административный уровень. Таким образом, сервер единой базы данных становится ядром интегрированной системы управления предприятия в целом. Выбор контроллеров для распределенной системы управления обусловлен большим числом разнородных факторов, зависящих прежде всего от того, является ли система вновь проектируемой или решаются задачи модернизации существующей системы [35].

Раздел 2

ТЕХНИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА АВТОМАТИЗАЦИИ И СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ПРОИЗВОДСТВЕННЫМИ ПРОЦЕССАМИ. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ И ТЕНДЕНЦИИ РАЗВИТИЯ

2. СОСТОЯНИЕ ТЕХНИЧЕСКИХ СРЕДСТВ АВТОМАТИЗАЦИИ 2.1. Назначение и проблемы проектирования технических средств автоматизации Технические средства (ТС) для автоматизации управления технологическими процессами выполняют следующие функции: сбор и преобразование информации (без изменения ее содержания) о состоянии процесса; передачу информации по каналам связи (перемещение в пространстве); преобразование, хранение и обработку информации, формирование команд управления (перемещение информации во времени с изменением ее содержания); использование и представление командной информации для воздействия на процесс и связи с оператором АСУ ТП. Все промышленные средства автоматизации технологических процессов в соответствии с ГОСТ 12997-84 объединяют в перечисленные функциональные группы, образуемые по характеру преобразования информации в системах управления. В свою очередь, средства функциональных групп дополнительно классифицируются по признаку отношения к системе и образуют: средства на входе системы (датчики); средства на выходе (выходные преобразователи, средства вывода информации и команд управления процессом); внутрисистемные технические средства (средства промежуточного преобразования информации, обеспечивающие взаимосвязь между устройствами с различными сигналами, различными «машинными языками», средства передачи, фиксации и обработки информации). Кроме этих основных групп средств используются вспомогательные средства, такие как документационная техника, оборудование для рабочих мест операторов-технологов и диспетчеров и др. Многообразие групп, типов и модификаций технических средств приводит к

многоальтернативной проблеме проектирования технического обеспечения АСУ ТП в каждом конкретном случае. При определенных структуре и алгоритмах функционирования АСУ ТП можно предположить возможность оптимального в каком-либо смысле выбора комплекса технических средств для этой системы. Так, одним из наиболее важных критериев выбора КТС может служить их стоимость, занимающая в общей стоимости системы управления значительную часть. На рис. 2.1 показана зависимость экономичности Э от объема капитальных вложений К и «совершенства» С технических средств [5] в предположении о линейной зависимости С от К. Эффективность Э ф (С) АСУ ТП имеет более сложный характер в зависимости от совершенства ТС и отражает: проявление эффективности после достижения определенного уровня совершенства С1; резкий рост эффективности на участке С1–С2, что соответствует так называемому эффекту «первого шага»; первый изгиб С2 и рост эффективности (участок С2–С3) за счет использования ТС, комплектно решающих более сложные задачи автоматизации; второй изгиб и значительное уменьшение роста эффективности АСУ ТП лишь за счет совершенства ТС, свидетельствующие об исчерпании возможностей принятой структуры, алгоритмов АСУ ТП или же самой технологии производства. Экономичность Э ТС определим как разность: Э = Эф–С, где экономичность Э, эффективность Эф и «совершенство» С выражаются в одинаковых единицах, например в единицах стоимости. График Э(К) (см. рис. 2.1) свидетельствует о том, что при слишком малом и слишком большом объеме затрат К внедрение АСУ ТП может быть убыточным. Достижение максимальной эффективности Эф за счет совершенства выбранных средств С возможно при некотором разумном компромиссе между затратами на ТС и их совершенством. С,Эф,Э Эф(С)

С(К) Э(К)

С1

С2

С3

К, С

Рис. 2.1. Зависимость экономичности Э АСУ ТП от объёма капитальных вложений К и совершенства технических средств С

Естественно, что приведенные рассуждения упрощенно отражают реальный процесс создания АСУ ТП и эффект от их внедрения, однако отсюда следует и оправдывает себя на практике тот вывод, что выбор ТС при проектировании АСУ ТП является задачей оптимизационного, многокритериального характера, от решения которой во многом зависит экономическая эффективность АСУ ТП. Задача проектирования ТС для АСУ ТП формируется обычно следующим образом [5,6]: из множества возможных вариантов построения комплекса ТС для конкретной АСУ ТП нужно выбрать и обосновать такой, который обеспечивает решение заданного набора функциональных задач системы автоматизации с заданным качеством при минимуме капитальных и эксплуатационных затрат с учетом обеспечения возможности функционирования системы управления в условиях прогнозируемого изменения состава задач автоматизированного технологического комплекса (АТК). Проектирование АСУ ТП включает в себя ряд этапов [5], среди которых один из главных и едва ли не самый трудоемкий и многоальтернативный – этап выбора оптимального в конкретных производственных условиях комплекса технических средств контроля и управления. Как отмечается в [7], для комплектации технических средств «заказчик получает аппаратуру от различных приборостроительных заводов «россыпью» и монтирует ее на месте эксплуатации, соединяя изделия... таким образом, чтобы обеспечить их совместное функционирование и взаимодействие». Процесс комплектации в этих случаях зачастую определяется не технико-экономической целесообразностью, а возможностями поставок оборудования и привычками проектировщиков. При этом каждый раз индивидуально по месту эксплуатации АСУ ТП решаются задачи информационной, функциональной, программной, конструктивной и тому подобной совместимости средств контроля и управления. Для этого требуются нетиповые, часто несерийные согласующие устройства, что значительно удлиняет сроки проектирования и внедрения АСУ ТП, увеличивает стоимость проектирования и не способствует совершенствованию технических показателей системы. Работы по созданию АСУ ТП можно разделить на два больших комплекса [8]: - проектирование структурно-алгоритмической части АСУ ТП, включая разработку состава и структуры информационных потоков и алгоритмов их обработки, в том числе общего алгоритма функционирования системы; - проектирование технического обеспечения, позволяющего

реализовать структуру системы с оптимизацией выбранных техникоэкономических показателей этого обеспечения. Типовой состав работ, входящих в два перечисленных комплекса, определен в ГОСТ 24.601-86. Этапы проектирования и виды работ, содержащихся в этом стандарте, являются характерными для процессов проектирования АСУ ТП и корректируются при разработке конкретной системы. Комплекс работ по непосредственному созданию КТС включает в себя два тесно связанных между собой этапа: 1) этап системотехнического синтеза, в том числе разработка и обоснование структуры, целей и функций АСУ ТП, ее функциональной схемы и информационного обеспечения; 2) этап аппаратурно-технического синтеза, в том числе разработка систем локальной автоматики, планов ее размещения, технического задания на новые средства; разработка блок-схемы и состава информационно-управляющего вычислительного комплекса (ИУВК); разработка технических требований на необходимые средства вычислительной техники (микропроцессоры, мини-ЭВМ и микроЭВМ), системы телемеханики, средства связи с технологическим объектом управления (ТОУ) и планами размещения КТС. В этот комплекс работ непосредственно не входит этап технического проектирования специального (прикладного) программного и информационного обеспечения, однако необходимо иметь в виду, что на этапе системотехнического синтеза должна быть решена задача о распределении функций АСУ ТП, выполняемых либо аппаратным, либо программным, либо аппаратно-программным путем. Системный подход, в основе которого лежит последовательный переход от общего к частному, предполагает в качестве необходимых и достаточных компонентов исследований в процессе проектирования технического обеспечения АСУ ТП такие, как: - предметное (или структурное) исследование общих, целостных свойств АСУ ТП с выделением состава задач, решаемых проектируемым комплексом технических средств, и формирование целевых функций технического обеспечения АСУ ТП; - функциональное исследование разрабатываемого КТС, его внутренней структуры, определение вклада отдельных средств комплекса в достижение целей АСУ ТП; - эволюционное исследование, включающее в себя генетическое и прогностическое начала и имеющее своей целью познание логики развития системы, направления ее изменения как подсистемы более широкой системы на основе накопленного опыта и научного прогноза в области применения спроектированной АСУ ТП.

Наряду с изучением принципов организации аппаратных и аппаратнопрограммных средств измерения, передачи и преобразования информации представляется важным формирование у специалиста по автоматическому управлению, в том числе у специалиста по АСУ ТП, навыков системного подхода к проектированию технического обеспечения любой системы управления. Системный подход приводит к типизации, унификации и агрегатированию технических средств в проблемно-ориентированные комплексы, применение которых при расширении масштабов внедрения АСУ ТП дает существенное уменьшение стоимости создаваемых автоматизированных технологических комплексов.

2.2. Этапы развития государственной системы промышленных приборов и средств автоматизации (ГСП) В 1950-х гг. в связи с технологической революцией получили ускоренное развитие вопросы создания новых средств автоматизации производственных процессов. Стало ясно, что назрела необходимость в разработке не только отдельных приборов, но и в целом интегрированных систем, решающих комплексные задачи. В это время в Институте автоматики и телемеханики (технической кибернетики) акад. В.А. Трапезниковым и чл.-кор. АН СССР Б.С. Сотсковым была выдвинута идея функциональной унификации средств автоматизации технологических процессов на основе блочно-модульного принципа их построения [40,41]. Этот принцип оказался столь плодотворным, что на его базе Б.С. Сотсков предложил построение агрегатной унифицированной системы приборов (АУС), пневмоавтоматики. Эти работы положили начало созданию ГСП, что явилось крупным событием в практике мирового приборостроения. Впервые разнообразнейшая и сложнейшая система взаимосвязанных технических средств была реализована в общегосударственном масштабе на единых системотехнических принципах. На первом этапе формирования системы требовалось определить условия агрегатирования технических средств при построении промышленной автоматики. На примере разработки унифицированных блоков и приборов пневмоавтоматики для решения задач автоматизации управления в химических, нефтехимических и металлургических производствах практически доказана рациональность блочно-модульного построения таких устройств. На базе результатов, достигнутых в области пневмоавтоматики, появилась пневмоника как новая область знаний, определяющая закономерности построения струйной техники. За разработку и широкое

промышленное внедрение унифицированной системы пневматических модулей (УСЭТТПА) М.А. Айзерман, Т.К. Берендс, Т.К. Ефремова, А.А. Таль и А.А. Тагаевская были удостоены Ленинской премии. Блочно-модульный принцип построения был использован и при создании появившейся в те годы электрической агрегатной унифицированной системы приборов (ЭАУС), представляющей собой комплекс унифицированных регулирующих и функциональных устройств. Принятый в этой системе унифицированный электрический сигнал связи 0-5 мА обеспечивал совместимость работы ее приборов с первыми промышленными машинами централизованного контроля и управления. Под руководством Б.С. Сотскова формировалась общая структура системы, позволяющая найти единый подход к разработке средств автоматики с различным энергетическим носителем сигналов связи, вырабатывались принципы взаимной конструктивной, информационной и эксплуатационной совместимости технических средств, определились предпосылки для разработки основополагающего стандарта ГОСТ 12997 67 «ГСП. Общие технические требования». Второй этап создания ГСП совпал с проведением работ по разработке первых автоматизированных систем управления (АСУ) в различных отраслях промышленности, что потребовало расширения номенклатуры технических средств. Теперь эти средства практически полностью создавались в рамках ГСП. В 60 - 70-е гг. Б.С. Сотсков, его коллеги и ученики в Институте проблем управления совместно с рядом приборостроительных организаций разрабатывали теоретические основы построения ГСП [42]. Тогда же параллельно с решением общих системных задач интенсивно шли работы по использованию системного подхода к созданию средств автоматизации новых классов. Предлагались новые принципы их построения, определялись технические требования к основным блокам электрической ветви, были получены результаты в создании гидравлических средств автоматики, а также разработаны бесконтактные электрические исполнительные устройства, широко применяемые в автоматических регуляторах. Третий период развития ГСП можно отнести к интенсивному внедрению идеологии АСУ с использованием средств вычислительной техники. На этом этапе вновь создаваемые технические средства реализовывались в рамках унифицированных агрегатных комплексов, базирующихся на системотехнических основах и принципах построения ГСП, в том числе агрегатные комплексы средств вычислительной техники (АСВТ), телемеханической техники (АСТТ), локальных информационноуправляющих систем (КТС ЛИУС). Закрепление в государственных стандартах принципов унификации и сопрягаемости выпускаемых и вновь

разрабатываемых средств обеспечило возможность согласованного развития средств промышленной автоматики, созданных в различное время. Принципы построения ГСП оказались настолько глубокими и перспективными, что появление нового поколения технических и программных средств автоматизации уже в конце 80-х гг. позволило развить их и адаптировать к изменяющимся экономическим отношениям между предприятиями страны. Так, продолжением работ Б.С. Сотскова стали исследования, проведенные в Институте проблем управления под научным руководством акад. В.А. Трапезникова, в результате которых были выдвинуты принципы построения ГСП-2. Если раньше целью построения системы являлось создание только технических средств для удовлетворения потребностей промышленности в автоматизации процессов управления, то теперь цель состояла в создании программно-технических средств нового поколения, необходимых для хозяйства страны в целом. Новая цель определила и новые задачи, решаемые при построении ГСП-2. Среди них: - формирование нормативных документов, обеспечивающих программно-техническую совместимость средств автоматизации в соответствии с требованиями международных стандартов; - разработка и производство гибко перестраиваемых комплексов приборов и средств автоматизации нового поколения с одновременным созданием средств их испытаний и методов сертификации; - информационное обеспечение потребителей средств ГСП-2, включая рекламу на программно-технические комплексы (ПТК) для систем управления и контроля различных уровней. Поименованные задачи решались путем создания нормативного обеспечения техники автоматизации на основе сочетания базовых стандартов, определяемых публикациями ИСО и МЭК, и технических условий на конкретную группу изделий. Такой подход положил начало отечественной функциональной стандартизации и разработке первых профильных стандартов. В это время формировались требования к построению широкой номенклатуры взаимодействующих средств автоматизации нового поколения и ПТК как нового вида системноориентированной приборной продукции [43,46]. Составлялся автоматизированный банк данных, содержащий информацию о создаваемых и производимых средствах автоматизации технологических процессов, разрабатывались алгоритмы распространения информации на машинных носителях, систематически выпускались каталоги и соответствующие рекламные издания. Базой для ГСП-2 стали новая структура нормативных документов,

формирование новых организационных механизмов, автоматизация информационного сопровождения разработки программно-технических средств и систем. С помощью ГСП-2 стали решаться задачи совершенствования совместимости средств и систем автоматизации по мере развития их интерфейсов, обеспечивая возможности построения на их основе открытых систем. Идеи ГСП-2 внесли существенный вклад в формирование научно-технической политики в области массового производства и проектирования средств и систем автоматизации [43,44]. Сегодня продолжаются развитие рыночных отношений и снятие барьеров, изолирующих отечественные предприятия от общемировой экономики. Жизнь заставляет нас понимать, что создание современных средств автоматизации управления процессами разработки, выпуска и эксплуатации систем с использованием перспективной научнотехнической базы должно быть основано на принципах, заложенных в построение ГСП-2: · интеллектуализации средств автоматики; · открытости систем по программам и аппаратуре; · использования сетевой архитектуры различной конфигурации; · введения распределенности и децентрализации обработки информации; · стандартизации сетевых и приборных интерфейсов; · реализации CALS-технологий (Computer-Aided Logistics System) и штрихового кодирования изделий и услуг. Использование перспективных систем автоматизации существенно влияет на темпы создания новейших технологий и оборудования, проведение научно-исследовательских работ, разработку конструкторской и технологической документации, изготовление, испытания, сертификацию средств, ремонтно-восстановительные работы. Пользуясь методологией построения ГСП, сегодня выделяются области расширенного применения средств автоматизации, предполагающие наличие гибких границ для использования систем: - различные типы датчиков, исполнительных механизмов, преобразователей, включая интеллектуальные; - локальные и местные регуляторы и простейшие средства автоматизации технологических процессов; - системы дистанционного управления; - простые средства контроля и управления технологических процессов и управления ими; - системы телеавтоматики и телемеханики;

- средства автоматизации научных исследований и экспериментов, диагностики неисправностей и контроля качества изделий, мониторинга; - АСУ ТП различной сложности. Несмотря на широкое применение импортной техники в управлении отечественными технологическими процессами, большое место в развитии производственной базы России в это время пока еще занимают средства автоматизации российского производства. При этом следует учитывать, что приборои системостроение вместе с построением автоматизированных систем проектирования новых средств и технологических процессов имеют важнейшее значение для эффективной реализации программ, обеспечивающих прогресс в информационном обеспечении разработок и сбыта продукции. В этой связи как никогда стал актуален вопрос восстановления на современном уровне процессов управления приборо- и системостроением России. В качестве основы для решения названных проблем представляется целесообразным создание на базе органов государственного управления информационно-аналитических банков данных и служб, рекомендующих предприятиям и организациям направления их деятельности, наиболее перспективные для конкретного момента времени, а также расширение системы сертификации товаров и услуг, являющейся рабочим органом по проведению в жизнь единой научно-технической политики с помощью реализации действия технических законов (стандартов). Анализ числа международных стандартов в области техники автоматизации и соответственно российских стандартов (ГОСТ Р) позволил оценить существующий уровень обеспеченности отечественных разработок нормативно-законодательной базой. Результаты такого анализа представлены в табл. 2.1. Таблица 2.1 Анализ числа стандартов Направление стандартизации Число международных стандартов 12 37 Термины и определения 11 56 Вычислительные сети 23 122 Кодирование и обмен данными 7 31 Языки программирования 4 31 Совместимость 22 69 Взаимодействие открытых систем 25 49 Описание объекта производства

ГОСТ Р

При этом следует учитывать, что отечественные стандарты далеко не всегда касаются наиболее важных вопросов.

Вывод из столь ненормального положения можно рассматривать в двух направлениях: решение задач повышения технического уровня средств и систем автоматизации контроля и управления и организационные задачи. На новом этапе встает вопрос технологичности построения программно-технических средств, их схемной и конструктивной унификации, стандартизации структур, сигналов, интерфейсов, протоколов обмена информацией, обеспечивающих совместимость изделий при агрегатировании, что предполагает ориентацию на использование современных информационных технологий. Сейчас наибольший эффект от использования систем автоматизации достигается в случае применения компьютеризованных информационнологистических систем. Примером последних могут служить информационные структуры, выполненные по CALS-технологии, т.е. применяющие методологию, основанную на алгоритмах функционального моделирования. При этом появляется возможность совмещения схем функционального (структурного) и информационного проектирования с проектированием программного обеспечения на уровне интерфейса межмодульного взаимодействия отдельных элементов по всем этапам жизненного цикла системы - от ее научной проработки до сервисного обслуживания. Конкурентоспособность продукции предприятия стала зависеть от скорости передачи информации между его организационными подразделениями, а также от соответствия характеристик этапов жизненного цикла требованиям международных стандартов. Следовательно, материальные потоки должны сопровождаться адекватными информационными потоками и интегрироваться с ними в единую сбалансированную систему. Российский вариант CALS-технологии основан на одновременном использовании международных стандартов сер. ISO 9000-9004 при функциональном моделировании, международных стандартов ISO 10303 (STEP) и 13584 (P-LIB) при информационном моделировании и третьей части этой серии стандартов, охватывающей данные производства и менеджмента. В общем случае информационные связи в распределенных системах промышленной автоматизации должны предусматривать: обмен данными между автоматикой технологических процессов и вычислительными системами организационного уровня. Обмен информацией между территориально рассредоточенными составными частями систем автоматизации (каждая из которых рассматривается как открытая система) согласно стандарту ИСО 7498/1-4 обеспечивает их кооперацию на данном иерархическом уровне (по горизонтали) и (или) смежных уровнях (по вертикали), а между территориально сосредоточенными унифицированными составными частями (блоками, модулями) каждой от-

крытой системы - ее функционирование на соответствующем иерархическом уровне, передачу сигналов между локальными технологическими системами и периферийными устройствами объекта: датчиками, исполнительными механизмами и др. В соответствии с принципом удовлетворения требованиям международных стандартов структуризация сетевых аппаратных и программных средств распределенных систем автоматизации должна отвечать концепции эталонной модели взаимосоединения открытых систем (OSI - Open Systems Interconnection), предложенной ИСО. Однако при разработке технической базы рационально учитывать требования как международных, так и национальных стандартов, регламентирующие устойчивость к внешним воздействующим факторам (ВВФ), климатическое районирование, категории размещения. Для каждой из составных частей распределенных систем автоматизации должны быть установлены такие требования по устойчивости и прочности в ВВФ, какие определяют возможности их широкого использования в условиях реальных промышленных объектов. Учет этих требований в сочетании с положениями технических условий на конкретное изделие позволяют формировать профильные коммерческие стандарты. Подобный подход к структуре концептуального решения схемы построения отечественных программно-технических средств обусловлен тем, что в распределенных системах управления отдельные составные части, относящиеся к тому или иному уровню управления, существенно различаются по условиям применения, общим, системным и специальным техническим требованиям, критериям эффективности. При этом знание особенностей использования средств автоматизации в отечественных технологических процессах - существенное преимущество российских разработчиков перед иностранными, имеющими в своем распоряжении более совершенную технологическую базу. Характерной чертой построения современных информационных систем автоматизации производственных процессов является применение технологий автоматической идентификации практически на всех стадиях жизненного цикла производимого изделия (по ИСО 9000). Первоочередным направлением во введении таких технологий стало создание средств и систем штрихового кодирования, определяемое едиными принципами классификации и каталогизации, установленными Госкомстатом и Госстандартом РФ. Становление рыночных отношений затронуло практически все отрасли хозяйства России, что послужило причиной переориентации приоритетов в методологических подходах к созданию новых систем автоматизированного управления технологическими процессами в промышленности, средствах связи, сельском хозяйстве, науке.

Проводимые реформы привели к прекращению бюджетного финансирования тех прикладных программ, которые могли бы реализовываться с помощью рыночных отношений. Сегодня незамедлительное решение перечисленных вопросов пока еще может стать для отечественных разработчиков одним из путей выхода на уровень конкурентоспособности с зарубежными фирмами. Таким образом, среди основных задач формирования механизма разработки систем управления производственными процессами можно выделить создание государственных информационно-аналитических центров, располагающих автоматизированными банками данных и подключением к международной сети информационного обмена; широкое распространение опыта использования современных информационных технологий (CALS-технологий); приведение в соответствие с мировой практикой системы статистических показателей, характеризующих состояние отраслей хозяйства страны; централизованные маркетинговые исследования и формирование в России рынка отечественных технических и программных средств; создание сети центров технического обслуживания и ремонта современных программно-технических средств; подготовку специалистов по разработке и использованию современных информационных технологий; приведение нормативно-правовой базы в соответствие с требованиями международных стандартов, причем особое внимание должно быть обращено на юридические положения, регламентирующие условия выполнения требований нормативно-технических документов; введение обязательной сертификации технологий и технологического оборудования для подтверждения требований безопасности и оценки свойств автоматизированных средств и систем управления. В качестве возможного пути решения названных задач предлагаются: - разработка государственной программы или раздела в одной из приоритетных программ по решению проблемы использования CALSтехнологий; - формирование структуры испытательных центров (лабораторий) и методологии проведения сертификации технических и программных средств на соответствие требованиям международных стандартов ИСО/МЭК сообразно с идеологией создания в России комплексной системы сертификации товаров и услуг; - создание информационно-аналитического банка данных по соответствующим направлениям. В связи с тем что построение систем управления технологическими процессами в конечном итоге определяет эффективность работы всего хозяйственного механизма страны, назрела необходимость придания работам по совершенствованию средств автоматизации статуса приоритетного

направления. Решение поименованных задач следует рассматривать как единый системный проект, который может быть реализован только совместными усилиями всех заинтересованных предприятий и ведомств. В рамках этого проекта должна решаться совокупность экономических, социальных, технических, организационных, правовых, нормативных и других проблем. Следовательно, представляется рациональным, чтобы Правительство РФ дало задание Министерству науки и технологии России об организации соответствующих работ. Область управления и регулирования перестала быть зоной безраздельного господства гибкопрограммируемых контроллеров, особенно там, где решение задач промышленной автоматизации должно сочетаться с созданием систем обработки информации и визуализации. Системы на базе ПК находят все большее применение. Спрос на системы управления, базирующиеся на ПК (PC-based Control), постоянно растет. В рамках своей программы создания интегрированных средств промышленной автоматизации всемирно известный электротехнический концерн Siemens предлагает адекватное, базирующееся на ПК, решение SIMATIC WinAC (Windows Automation Center). Какому направлению принадлежит будущее? Это вопрос, на который в настоящий момент нельзя дать однозначный ответ. Факт остается фактом: сегодня задачи технологического управления, визуализации технологических процессов, обработки данных и коммуникации можно решить как на базе классических гибкопрограммируемых контроллеров (в комбинации с модулями визуализации и обслуживания), так и на основе ПК.

2.3. Назначение, цели и функции АСУ ТП В соответствии с ГОСТ 20.003-84 автоматизированные системы управления технологическими процессами предназначены для выработки и реализации управляющих воздействий на технологический объект управления и представляют собой человекомашинные системы, обеспечивающие автоматизированный сбор и обработку информации, необходимой для оптимизации управления технологическим объектом в соответствии с принятым критерием. Технологический объект управления (ТОУ) - это совокупность технологического оборудования и реализованного на нем по соответствующим инструкциям или регламентам технологического процесса производства. В зависимости от уровня АСУ ТП в качестве ТОУ можно рассматривать: технологические агрегаты и установки, группы станков, отдельные производства (цехи, участки), реализующие самостоятельный технологический процесс; производственный процесс всего

промышленного предприятия, если управление им заключается в рациональном выборе и согласовании режимов работы агрегатов, участков и производств. Совместно функционирующие ТОУ и управляющая им АСУ ТП образуют автоматизированный технологический комплекс (АТК). АСУ ТП являются частным видом систем управления, которые представляют, в свою очередь, особый класс систем, характеризующихся наличием самостоятельных функций и целей управления и необходимой для реализации этого специальной системной организацией. Степень достижения поставленных целей принято характеризовать с помощью критерия управления. Критерием может быть технико-экономический показатель, например себестоимость выходного продукта при заданном качестве, производительность ТОУ при заданном качестве выходного продукта, технологические показатели - параметры процесса, характеристики выходного продукта и т. п. Отметим, что определение АСУ ТП как системы отличается от классического определения системы управления из теории автоматического управления, согласно которому система автоматического управления - это совокупность объекта управления и регулятора. В этом смысле понятие АТК подпадает под классическое определение системы управления, где в роли объекта выступает ТОУ, а в роли регулятора АСУ ТП. Обобщенная блок-схема АСУ ТП изображена на рис. 2.2. Сформулированное выше определение подчеркивает, во-первых, наличие в составе АСУ ТП современных автоматических средств сбора и переработки информации, в первую очередь средств вычислительной техники; во-вторых, роль человека в системе как субъекта труда, принимающего содержательное участие в выработке решений по управлению; в-третьих, что АСУ ТП - это система, осуществляющая переработку технологической и технико-экономической информации.

Рис. 2.2. Обобщенная блок-схема АСУ ТП

Еще один важный признак АСУ ТП - это осуществление управления в темпе протекания технологического процесса, т. е. в реальном масштабе времени. АСУ ТП как компонент общей системы управления промышленным предприятием (АСУП) предназначена для целенаправленного ведения технологических процессов и обеспечения смежных и вышестоящих систем управления оперативной и достоверной технико-экономической информацией. АСУ ТП, созданные для объектов основного и вспомогательного производства, представляют низовой уровень автоматизированных систем управления производством. При наличии на предприятии автоматизированных систем технической и технологической подготовки производства (АСТПП) должно быть обеспечено взаимодействие АСУ ТП с этими системами. АСУ ТП получают от них необходимую технологическую и другую информацию

для обеспечения заданного процесса и направляют к АСТПП фактическую оперативную информацию, необходимую для их функционирования, в том числе для корректировки технологических процессов. Перечень, форма представления и режим обмена информацией между АСУ ТП и другими взаимосвязанными с ней системами управления определяются в каждом конкретном случае в зависимости от специфики производства, его организации и структуры управления им. Реализация целей в конкретных АСУ ТП достигается выполнением в них определенной последовательности операций и вычислительных процедур, в значительной степени типовых по своему составу и потому объединяемых в комплекс типовых функций АСУ ТП. Функции АСУ ТП подразделяются на управляющие, информационные и вспомогательные. Управляющие функции АСУ ТП - это функции, результатами которых являются выработка и реализация управляющих воздействий на объект управления. К управляющим функциям АСУ ТП относятся: регулирование (стабилизация) отдельных технологических переменных; однотактное логическое управление операциями или аппаратами; программное логическое управление группой оборудования; оптимальное управление установившимися или переходными режимами или отдельными стадиями процесса; адаптивное управление объектом в целом, например управление участком станков с ЧПУ. Информационные функции АСУ ТП - это функции системы, содержанием которых являются сбор, обработка и представление информации о состоянии АТК оперативному персоналу или передача этой информации для последующей обработки. К информационным функциям АСУ ТП относятся: централизованный контроль и измерение технологических параметров; косвенное измерение; вычисление параметров процесса (технико-экономических, внутренних переменных); формирование и выдача данных оперативному персоналу АСУ ТП или АТК; подготовка и передача информации в смежные системы управления; обобщенная оценка и проверка состояния АТК и его оборудования. Отличительная особенность управляющих и информационных функций АСУ ТП - их направленность на конкретного потребителя (объект управления, оперативный персонал, смежные системы управления). Вспомогательные функции АСУ ТП состоят в обеспечении контроля за состоянием функционирования технических и программных средств системы.

2.4. Типовые структуры и средства управления технологическими процессами

В сфере промышленного производства для настоящего времени практический интерес представляют системы управления трех классов: локальные системы контроля, регулирования и управления (ЛСКРиУ), централизованные системы контроля, регулирования и управления (СЦКРиУ) и АСУ ТП. Локальные системы контроля, регулирования и управления (рис. 2.3). Эффективны при автоматизации технологически независимых объектов с компактным расположением основного оборудования и несложными целями управления (стабилизация, программное управление) при хорошо отработанной технологии и стационарных условиях эксплуатации.

Рис. 2.3. Типовая структура локальной схемы контроля, регулирования и управления

Локальные регуляторы (ЛР) могут быть аналоговыми, цифровыми, одно- или многоканальными. Наличие человека-оператора (лица, принимающего решение, - ЛПР) в системе позволяет использовать эту структуру на объектах с невысоким уровнем механизации и надежности технологического оборудования, осуществлять общий контроль за ходом технологического процесса и ручное управление (РУ). Структура ЛСКРиУ соответствует классической структуре систем управления: содержит датчики измеряемых переменных (Д) на выходе ТОУ, автоматические регуляторы, исполнительные устройства (ИУ), передающие команды управления (в том числе и от ЛПР в режиме ручного управления) на регулирующие органы ТОУ. Устройство связи с оператором состоит, как правило, из измерительных, сигнализирующих и регистрирующих приборов. Централизованные системы контроля, регулирования и управления. Автоматические или автоматизированные СЦКРиУ предназна-

чены для сбора и обработки данных об объекте управления и выработки на основе их анализа в соответствии с целями системы управляющих воздействий. Появление этого класса систем управления связано с увеличением числа контролируемых и регулируемых параметров, с территориальной рассредоточенностью ТОУ. Структура СЦКРиУ изображена на рис. 2.4. Для СЦКРиУ характерны дистанционный контроль, регулирование и управление, которые позволили территориально отделить наблюдение и управление за технологическим процессом от ТОУ. Наряду с этим изменился и состав функций: кроме функций, свойственных ЛСКРиУ, появились функции дистанционного управления (ДУ), логикокомандного управления (через ЛКУ). В СЦКРиУ появляются центральный пульт контроля и управления со средствами представления измерительной [от датчиков (Д), вторичных преобразователей (ВП)] и командной информации от задающих устройств (ЗУ), исполнительных устройств и механизмов (ИУ, ИМ) в виде мнемосхем, цифровых табло, приборов сигнализации, вызывного контроля, регистрации. Первоначально в СЦКРиУ на центральном пульте управления концентрировались одноточечные измерительные и регистрирующие приборы и одноканальные регуляторы. В дальнейшем для сокращения необходимого оборудования и уменьшения эксплуатационных расходов в СЦКРиУ стали применять многоканальные средства контроля и регулирования (рис. 2.5). В многоканальных системах контроля и управления некоторые функциональные устройства являются общими для всех каналов системы и с помощью коммутаторов и распределителей каналов (КК, РК) подключаются к индивидуальным устройствам канала, образуя замкнутый контур управления. В системах управления технологическими процессами, как правило, используют многоканальные вторичные преобразователи (МВП), автоматические контрольно-измерительные и регистрирующие приборы (МКИП), многоканальные регулирующие устройства (МРУ), многоканальные устройства логико-командного управления (МЛКУ). Приборы сигнализации, регистрации, вызывного контроля, мнемосхемы, табло

ЗУ

Центральный пульт контроля и управления

ВП

ДУ

ЛКУ

ЛР

ИУ, ИМ

ТОУ

Д

Рис. 2.4. Типовая структура системы централизованного контроля, регулирования и управления (СЦКРиУ)

Функции оператора-технолога (ЛПР) остаются прежними: оценка функционирования СЦКРиУ и формирование оптимального управления путем изменения уставок в ЗУ. Автоматизированные системы управления технологическими процессами. Развитие экономико-математических методов управления с широким использованием современной вычислительной техники позволило существенно облегчить работу оператора при управлении сложными технологическими объектами. В результате появились человекомашинные системы управления технологическими процессами, в которых обработка информации и формирование оптимальных управлений осуществляются человеком с помощью управляющей вычислительной машины (УВМ). УВМ в этом случае является многоканальным информационно-управляющим устройством в системе автоматизированного управления технологическим процессом. В зависимости от распределения информационных и управляющих функций между человеком и УВМ, между УВМ и средствами контроля и регулирования возможны различные принципы построения АСУ ТП. Наибольшее распространение в промышленной практике нашли три принципа построения АСУ ТП: централизованные АСУ ТП, АСУ ТП с супервизорным управлением и децентрализованные распределенные АСУ ТП. Многоканальные приборы сигнализации, регистрации, контроля (МКИП), табло

ЗУ КК КК

Центральный пульт контроля и управления

МЛКУ

МРУ

МВП

РК

КК

ИУ, ИМ

ТОУ

Д

Рис. 2.5. Типовая структура СЦКРиУ с многоканальными средствами контроля и регулирования

Типовая структура централизованной АСУ ТП (рис. 2.6) включает в себя устройство связи с объектом (УСО) и УВМ, осуществляющую централизованное управление одним или несколькими технологическими процессами. Надежность всего комплекса определяется в этом случае надежностью УСО и УВМ, при выходе их из строя нормальное функционирование технологического оборудования невозможно. Характерным примером централизованной АСУ ТП является система, УВМ которой непосредственно вырабатывает оптимальные регулирующие воздействия и с помощью соответствующих преобразователей передает команды управления на исполнительные устройства (механизмы). Централизованные АСУ ТП, УВМ которых работают в таком режиме, называются системами с непосредственным или прямым цифровым управлением (ПЦУ). Принцип действия системы с ПЦУ иллюстрирует рис. 2.6, где часть функций регулирования и логико-командного управления выполняют локальные средства контроля, регулирования и управления (ЛР и ЛКУ), а остальную часть их выполняет УВМ в режиме 1ЩУ. Устройство связи с оператором

УВМ

ЛПР

УСО

ИУ

РУ

ТОУ

Д

ИУ

РУ

ТОУ

Д

Рис. 2.6. Типовая структура централизованной АСУ ТП

Сигналы от источника информации датчиков (Д) вторичных преобразователей (ВП) через распределитель каналов (РК) поступают на входы устройства ввода (УВв) и оттуда в цифровой форме вводятся в УВМ. Через другое устройство ввода в УВМ поступают сигналы задания из центрального пульта через коммутатор каналов (КК). В УВМ формируются управляющие воздействия на регулирующие органы ТОУ (через РК к ИУ или ИМ), определяются оптимальные настройки для ЛР, вырабатываются данные и команды для визуализации технологической информации, передаваемые от УВМ через устройства вывода (УВыв) и коммутатор каналов (КК). В АСУ ТП с ПЦУ оператор должен иметь возможность изменять уставки, контролировать избранные переменные, варьировать диапазоны допустимого изменения переменных, изменять параметры настройки и иметь доступ к управляющей программе. Для обеспечения этих функции необходимо иметь сопряжение (человек - машина) в виде пульта оператора и средств отображения информации. Применение УВМ в режиме ПЦУ позволяет строить программным путем системы регулирования по возмущению, комбинированные системы каскадного и многосвязного регулирования, учитывающие связи между отдельными частями объекта управления. ПЦУ позволяет также реализовать не только оптимизирующие функции, но и адаптацию к изменению внешней среды и переменным параметрам объекта. В системах с ПЦУ упрощается реализация режимов пуска и остановки процессов, переключение с ручного управления на автоматическое, операции переключения исполнительных механизмов основного и вспомогательного оборудования. Главный недостаток систем с ПЦУ заключается в том, что при отказе в работе УВМ объект теряет управление. Несмотря на высокую надежность всех средств системы, отказы в УВМ возможны, и это обстоятельство необходимо особо учитывать при построении АСУ ТП с ПЦУ. В показанной на рис. 2.6 структуре АСУ ТП для каналов регулирования и управления повышенной надежности используются локальные средства контроля, регулирования и управления (одно- или многоканальные). Более широкими возможностями и лучшей надежностью обладают АСУ ТП, в которых непосредственное регулирование объектами ТП осуществляют ЛР, а УВМ выполняет функции «советчика» в так

называемом супервизорном режиме. Типовая структура супервизорной АСУ ТП изображена на рис. 2.7. По данным, поступающим от датчиков (Д) локальных подсистем через УСО, УВМ вырабатывает значение уставок в виде сигналов, поступающих непосредственно на входы систем автоматического регулирования. Основная задача супервизорного управления - автоматическое поддержание процесса вблизи оптимальной рабочей точки. Кроме того, супервизорное управление позволяет оператору-технологу использовать плохо формализуемую информацию о ходе технологического процесса, вводя через УВМ коррекцию уставок, параметров алгоритмов регулирования в локальные контуры. Например, оператор вводит необходимые изменения в управление процессом при изменении сырья и состава вырабатываемой продукции. Это требует определения новых значений коэффициентов уравнений математической модели объекта управления, что может выполняться любой другой внешней ЭВМ или самой УВМ, если она не загружена (рис. 2.8). Работа информационно-измерительной части системы супервизорного управления практически не отличается от рассмотренной выше системы. Функции оператора в этом случае сводятся лишь к наблюдению, а его вмешательство необходимо только в аварийных ситуациях. Достоинство системы супервизорного управления состоит в том, что УВМ в ней не только автоматически контролирует процесс, но и автоматически управляет им вблизи оптимальной рабочей точки. Рассматриваемая система управления технологическим процессом является многоканальной как в информационной части, так и на уровне оптимизации. Развитие АСУ ТП на современном этапе связано с широким использованием для управления микропроцессоров и микроЭВМ, стоимость которых с каждым годом становится все более низкой по сравнению с общими затратами на создание систем управления. До появления микропроцессоров эволюция систем управления технологическими процессами сопровождалась увеличением степени централизации. Однако возможности централизованных систем теперь уже оказываются ограниченными и не отвечают современным требованиям по надежности, гибкости, стоимости систем связи и программного обеспечения.

Центральный пульт оператора (ЛПР). Средства отображения информации КК

КК У Выв К внешней

У Вв

ЛКУ

УВМ ЭВМ У Вв

РК

ЛП

РК

ИУ, ИМ

ВП

Д

ТОУ

Рис. 2.7. Типовая структура схемы с прямым цифровым управлением от УВМ

Переход от централизованных систем управления к децентрализованным вызван также возрастанием мощности отдельных технологических агрегатов, их усложнением, повышением требований по быстродействию и точности к их работе. Централизация систем управления экономически оправдана при сравнительно небольшой информационной мощности (число каналов контроля и регулирования) ТОУ и его территориальной сосредоточенности. При большом числе каналов контроля, регулирования и управления, большой длине линий связи в АСУ ТП децентрализация структуры системы управления становится принципиальным методом повышения живучести АСУ ТП, снижения стоимости и эксплуатационных расходов. Наиболее перспективным направлением децентрализации АСУ ТП следует признать автоматизированное управление процессами с распределенной архитектурой, базирующееся на функционально-целевой

и топологической децентрализации объекта управления. Устройство связи с оператором

УВМ

ЛПР

УСО

ЛР

ИУ

ТОУ

РУ

Подсистема

ЛР

Д

ИУ

ТОУ

РУ

Подсистема

Д

Рис. 2.8. Типовая структура АСУ ТП с супервизорным режимом работы УВМ

Функционально-целевая децентрализация - это разделение сложного процесса или системы на меньшие части - подпроцессы или подсистемы по функциональному признаку (например, переделы технологического процесса, режимы работы агрегатов и т. д.), имеющие самостоятельные цели функционирования. Топологическая децентрализация означает возможность территориального (пространственного) разделения процесса на функционально-целевые подпроцессы. При оптимальной топологической децентрализации число подсистем распределенной АСУ ТП выбирается так, чтобы минимизировать суммарную длину линий связи, образующих вместе с локальными подсистемами управления сетевую структуру. Технической основой современных распределенных систем управления, обусловившей возможность реализации таких систем, являются микропроцессоры и микропроцессорные системы. Микропроцессорной системой (МП-системой) будем называть любую вычислительную, информационно-управляющую или управляющую систему, устройством обработки информации которой является микропроцессор (МП). Микропроцессорная система выполняет функции сбора данных (коммутация сигналов, их унификация, фильтрация, преобразование в цифровую форму, ввод в базу данных и др.), регулирования и управления, визуализации всей информации базы данных, изменения уставок,

параметров алгоритмов и самих алгоритмов, оптимизации и т. д. Использование МП, МПС (в том числе микроЭВМ) для решения перечисленных задач дает возможность достичь следующих целей: 1) заменить аналоговые технические средства на цифровые там, где переход к цифровым средствам повышает точность, расширяет функциональные возможности и увеличивает гибкость систем управления; 2) заменить технические средства с жесткой логикой на программируемые (с возможностью изменения программы) устройства, или контроллеры ; 3) заменить одну мини-ЭВМ системой из нескольких микроЭВМ, когда необходимо обеспечить децентрализованное управление производством или технологическим процессом с повышенной надежностью и живучестью или когда возможности мини-ЭВМ полностью не используются. Микропроцессорные системы могут выполнять в подсистемах распределенной АСУ ТП все типовые функции контроля, измерения, регулирования, управления, представления информации оператору. Так как распределенная система содержит минимум две функционально связанные подсистемы, то в техническом плане образуется либо многомашинная, либо многопроцессорная система. Многомашинная система - это вычислительная система, содержащая более одной машины. Операционная система не является общей, и для каждой машины операционная система своя. Многопроцессорная система - это система, состоящая из двух (или более) процессоров, которые имеют доступ к общей центральной памяти; имеют общий доступ по крайней мере к части устройств ввода и вывода; управляются одной общей операционной системой. Использование микропроцессоров приводит к мультимикропроцессорным системам. Так как в распределенных АСУ ТП подсистемы функционально связаны и их совместная работа подчинена общей цели, то между машинами (мини-ЭВМ и микроЭВМ) или процессорами в многомашинной или мультимикропроцессорной системах возникает помимо аппаратной связи программный обмен, обеспечивающий как решение функциональных задач АСУ ТП, так и организацию самого программного обмена. Программный обмен между управляющими ЭВМ или микропроцессорными системами локальных подсистем распределенной АСУ ТП осуществляется при помощи каналов связи. С точки зрения обработки данных распределенная АСУ ТП представляет собой объединение при помощи каналов и устройств связи разнообразных мини- и микроЭВМ, МПС («узлов-абонентов»), которое принято называть локальной вычислительной сетью (ЛВС) [9,10] .

Определим локальную вычислительную сеть как многомашинную систему, работающую в единой операционной среде (ОС), являющуюся расширением операционных систем ЭВМ - узлов ЛВС. Если ЛВС используется для технической реализации систем управления, то такую сеть будем называть локальной управляющей вычислительной сетью (ЛУВС). Особенности ЛУВС будут рассмотрены ниже [11]. Топология распределенных АСУ ТП. В распределенных АСУ ТП приняты в основном три топологические структуры взаимодействия подсистем: звездообразная (радиальная), кольцевая (петлевая), шинная (магистральная) или их комбинации. Организация связи с датчиками и исполнительными устройствами носит индивидуальный и преимущественно радиальный характер. На рис. 2.9 изображены варианты топологий распределенных АСУ ТП. Радиальная структура взаимодействия подсистем (рис. 2.9, а) отражает традиционно применявшийся способ соединения устройств с выделенными линиями связи и характеризуется следующими особенностями: 1. Существуют отдельные, не связанные между собой линии, объединяющие центральную подсистему (ЦП) с локальными системами автоматики ЛАi. 2. Технически просто реализуются устройства сопряжения УС1-УСn локальной автоматики. Центральное устройство связи УСЦ представляет собой набор модулей типа УС, по числу линий либо достаточно сложное устройство мультиплексирования каналов передачи информации. 3. Обеспечиваются максимальные скорости обмена по отдельным линиям при достаточно высокой производительности вычислительных устройств на уровне ЦП. 4. Надежность подсистемы связи в значительной степени зависит от надежности и живучести технических средств ЦП. Выход из строя ЦП практически разрушает подсистему обмена, так как все потоки информации замыкаются через верхний уровень. Распределенная система с радиальной структурой является двухуровневой системой, где на нижнем уровне в подсистемах реализуются необходимые функции контроля, регулирования, управления, а на втором - в ЦП координирующая микроЭВМ (или мини-ЭВМ) кроме координации работы микроЭВМ-сателлитов осуществляет оптимизацию задач управления ТОУ, распределение энергии, управляет технологическим процессом в целом, вычисляет технико-экономические показатели и т. п. Вся база данных в распределенной системе с радиальной структурой должна быть доступной координирующей микроЭВМ для прикладных программ управления на верхнем уровне. Вследствие этого

координирующая микроЭВМ работает в реальном времени и должна обладать языками высокого уровня. На рис. 2.9, б, в изображены кольцевая и шинная топологии взаимодействия уровней. Эти структуры имеют ряд достоинств по сравнению с радиальной:

Рис. 2.9. Типовые структуры распределенных АСУ ТП: а - радиальная; б - магистральная; в - кольцевая

1. Работоспособность подсистемы связи, включающей в себя канал и устройства связи, не зависит от исправности технических средств на уровнях автоматизации. 2. Имеются возможности подключения дополнительных устройств и контроля всей подсистемы с помощью специальных средств. 3. Необходимы значительно меньшие затраты кабельной продукции. За счет обмена информацией между ЛА через канал связи и УС («каждый-с-каждым») появляется дополнительная возможность динамического перераспределения функций координации совместной работы подсистем ЛА по нижним уровням в случае выхода из строя ЦП. Шинная (в меньшей степени кольцевая) структура обеспечивает широковещательный режим обмена между подсистемами, что является важным преимуществом при реализации групповых команд управления. Вместе с тем шинная и кольцевая архитектуры предъявляют уже значительно более высокие требования к «интеллекту» устройств сопряжения, а следовательно, повышенные единовременные затраты на реализацию базовой сети. Сравнивая кольцевую и шинную топологии подсистемы связи, необходимо отметить, что организация кольцевой структуры менее дорогостоящая и требует более дешевых средств связи, чем шинная. Однако надежность всей подсистемы с кольцевой системой связи определяется надежностью каждого устройства сопряжения и каждого отрезка линий связи. Для повышения живучести необходимо применение двойных колец или дополнительных линий связи с обходными путями. Работоспособность физического канала передачи для шинной архитектуры с трансформаторной развязкой не зависит от исправности устройств сопряжения, однако, как и для кольца, выход из строя любого устройства сопряжения в наихудшем случае приводит к полностью автономной работе отказавшего узла подсистемы, т. е. к потере функции управления от уровня ЦП автоматикой отказавшего узла. Явным методом повышения живучести всей системы автоматики в случае отказа устройств согласования в подсистеме связи является дублирование устройств согласования в узлах подсистемы. В кольцевой структуре такой подход уже подразумевается при организации двойных колец и обходных путей. Если надежность непрерывного физического канала для нижней топологии не вызывает сомнений, то возможно дублирование только устройств сопряжения без применения резервного магистрального кабеля. Более дешевым способом повышения надежности подсистемы связи является использование комбинированных структур, сочетающих в себе достоинства радиальных и кольцевых (магистральных) топологий. Для кольца число радиальных связей может быть ограничено двумя-тремя

линиями, реализация которых, например в стандарте ИРПС СМ ЭВМ, дает простое и дешевое решение. Оценка таких показателей рассмотренных структур распределенных АСУ ТП, как экономические (затраты на кабельную продукцию, трассировку кабеля, на разработку или приобретение сетевых средств, в том числе устройства связи и т. п.), функциональные (использование групповых операций передачи, интенсивность обмена, возможность обмена «каждый-скаждым»), а также показатели унификации и возможности эволюции сети (возможность простого включения дополнительных узлов-абонентов, тенденции к применению в АСУ ТП) и показатели надежности сети (отказ канала связи и устройств связи или сопряжения), позволяет сделать следующие выводы: 1) наиболее перспективной в смысле развития и использования является магистральная организация подсистемы связи; 2) функциональные возможности магистральной топологии не уступают возможностям кольцевой и радиальной; 3) надежностные показатели магистральной структуры достаточно удовлетворительные; 4) магистральная топология распределенной АСУ ТП требует больших единовременных затрат на создание и внедрение канала связи и устройств сопряжения. Во многом благодаря этим особенностям магистральной структуры и модульной организации аппаратных и программных средств в современных АСУ ТП магистрально-модульный принцип построения технического обеспечения нашел преимущественное распространение. Использование магистральной системы передачи и обработки данных в распределенных АСУ ТП приводит к проблемам организации ЛУВС на базе микропроцессорных вычислительных средств, поэтому необходимо хотя бы кратко рассмотреть технические характеристики ЛУВС с магистральной топологией, отослав читателя к специальной литературе по более общим вопросам организации локальных вычислительных систем, например к [9,10,12] .

2.5. Средства построения ЛУВС с магистральной структурой Различают следующие компоненты ЛУВС: топологию сети (типы которой были описаны выше), физическую среду передачи, метод доступа к физической среде и программное обеспечение сети. Физическая среда передачи ЛУВС с магистральной структурой образована коаксиальным кабелем с волновым сопротивлением 75 Ом, обеспечивающим скорость передачи данных до 10 М бит/с. Большую скорость (150 м бит/с и более) может обеспечить оптоволоконный кабель,

однако стоимость такого кабеля выше и от него сложнее осуществить отводы для подключения абонентов. Для подключения узлов-абонентов используются приемопередатчики, представляющие собой узел сбора данных и управления вводом-выводом данных от подсистем в магистраль, и включают в себя адаптеры, интерфейсные схемы канала связи и сетевые интерфейсы. Функции сбора данных и управления реализуются модулями, связанными друг с другом через шину узла и управляемыми контроллером узла. Упрощенная структура ЛУВС с удаленными и неудаленными абонентами (подсистемами) с топологией шины, иллюстрирующая основной состав физических средств приема -передачи данных, изображена на рис. 2.10 [9]. Абоненты - подсистемы управления АСУ ТП - подключаются к общему каналу (магистрали) с помощью адаптеров связи (станций, блоков доступа). При незначительном удалении от общего канала связи (менее 100 м) абоненты 1, 2, ..., m подключаются к магистрали через адаптеры канала связи АKC1, АKC m. При большем удалении абоненты m+1, ..., n связываются с общим каналом через адаптеры канала связи АКС1, АКС m, каналы передачи и адаптеры канала связи АKC m+1, АКС n. Адаптеры канальной связи имеют буферную память достаточной емкости, необходимую для согласования различных скоростей передачи сигналов абонентами 1, 2, ..., m, m+1, ..., n со скоростью ввода сигналов в общий канал, которая одинакова в точках а-f интерфейса канала связи ИKC. Функциональный состав и характеристики адаптеров АKC и АC изменяются в зависимости от внешних интерфейсов ИA абонентов. На рис. 2.10 изображена блок-схема интерфейсного узла ЛУВС с магистральной структурой:1 - основная и резервная магистрали данных; 2 интерфейсы связи с резервной магистралью данных; 3 - внутренняя магистраль узла; 4 - модули ввода-вывода; 5 - функциональные модули (контроллеры, средства отображения данных, ЗУ с произвольной выборкой, ...); 6 - ТОУ. Все модули интерфейсного узла подсистемы связаны один с другим посредством внутренней магистрали узла, а с верхним уровнем системы управления (на рис. 2.11 не показан) - через интерфейс связи 2 и магистрали данных. Внутренняя магистраль реализуется часто как параллельный интерфейс, поскольку территориальная сосредоточенность модулей и технологического объекта в подсистеме делает возможной работу при принятых для параллельного интерфейса скоростях, хотя каждый из модулей может работать с различными скоростями. Все виды связи с другими подсистемами, в том числе связь с оператором, координирующим работу подсистем, осуществляются через интерфейсы, подключаемые к модулям подсистем через внутреннюю магистраль. В то же время носителем форматов и связи по сообщениям являются резервные магистрали данных. Резервные магистрали данных на

рис. 2.11 позволяют осуществить обмен сообщениями между подсистемами и УВМ верхнего уровня, между подсистемами (каждая-с-каждой) и между оператором и подсистемами, которые не должны утрачиваться из-за неисправности какой-либо одной магистрали данных. Методы доступа к физической среде ЛУВС объединяют в два класса: случайный и детерминированный (централизованный и децентрализованный). Методы доступа зависят от выбранной топологии сети. В табл. 2.1 приведены топологии, классы и методы доступа к физической среде ЛУВС.

Рис. 2.10. Упрощенная структура ЛУВС с магистральной структурой

В магистральных ЛУВС обычно применяется метод множественного доступа с контролем несущей и с обнаружением конфликта [в табл. 2.2 МДКН/ОК (CSMA/CD), селекторный опрос и явления (адресуемая) передача права]. Программное обеспечение ЛУВС обеспечивает взаимодействие между i-м и j-м узлами-абонентами сети или, иначе, взаимодействие между локальными подсистемами распределённой АСУ ТП путем передачи друг другу массивов данных. Эта задача решается с помощью специальных управляющих программ и правил (протоколов). В соответствии с рекомендацией Международной организации стандартов (ISO)

программное обеспечение содержит семь уровней (рис. 2.11), из которых к настоящему времени полностью стандартизированы два нижних (физические и канальные уровни) и частично сетевой. Протоками называют правила взаимодействия одновременных уровней (слоёв) программного обеспечения сети. На рис. 2.12 и 2.13 изображены примеры протоколов соединения близкого и удаленного абонентов ЛУВС, где видно, каким образом реализуются уровни программного обеспечения ЛУВС (см. также рис. 2.10).

2

4

2

4

4

5

5

6 Входы

Выходы Рис. 2.11. Блок-схема интерфейсного узла Таблица 2.2 Доступ к физической среде ЛУВС Топология ЛУВС

Класс метода доступа Случайный ДетермиЦентралинированный зованный Децентрализованный

радиальная

«шина»

МДКН/ОК

МДКН/ОК

Селекторный Коммутация физического или опрос логического соединения _____ Явная (адресуемая) передача права

«кольцо» Заполнение регистра Групповой опрос Неявная (адресуемая) передача права

Кратко дадим характеристику задач и функций, выполняемых уровнями программного обеспечения ЛУВС. Уровень 7 - прикладной (программы пользователей) - выдает данные пользователя, которые нужно передать по каналу связи. В

Прикладной уровень (программы пользователей) 7 Представительный уровень (управление представлением) 6 Сеансовый уровень (управление сеансами) 5

Процесс

функции этого уровня входят логическое преобразование данных, вычислительные, информационно-поисковые работы. Уровень 6 - представительный (управление представлением) осуществляет представление данных в необходимой форме. В функции уровня 6 входят генерация и интерпретация команд взаимодействия программы пользователя и представления данных этой программе.

4

Сетевой уровень (управление сетью) Канальный уровень (управление информационным каналом) Физический уровень (управление физическим каналом)

3 2 1

Транспортная сеть

Транспортный уровень (управление подачей)

Информац ионный канал

Транспортный канал

Порты

Физический канал

Рис. 2.12. Семиуровневое программное обеспечение локальной вычислительной сети

Уровень 5 - сеансовый - осуществляет обеспечение сеансов связи, в том числе осуществление программного интерфейса с транспортным уровнем (организация, поддержание и окончание сеанса связи). Уровень 4 - транспортный - осуществляет управление логическим каналом. В функцию уровня входит организация постоянных или временных логических каналов между процессами i и j сети (процессом называют совокупность трех верхних уровней: 7, 6 и 5). Уровень 3 - сетевой (управление сетью) - осуществляет маршрутизацию пакетов управления коммутационными ресурсами при связи 1-го процесса с несколькими другими процессами i, r. Уровень 2 - канальный (управление информационным каналом) осуществляет распознавание кадров, адресованных принимающей станции, их синхронизацию, обнаружение и исправление ошибок в кадрах, преобразование кодов из параллельного в последовательный и обратно. Уровень 1 - физический - осуществляет сопряжение с каналом связи. В его функции входят кодирование информации, установление

6 5 2 1

Управление прикладными процессами (пользовательский уровень) Управление представлением Управление сеансами Управление каналом УВМ Сопряжение с каналом УВМ

Реализуется в УВМ

7

1 2 4 3 2 1

Сопряжение с каналом УВМ Управление каналом УВМ Управление транспортом Управление сетью Управление каналом Сопряжение с каналом

Реализуется в адаптере канала связи Акс

Канал (магистраль) УВМ

Реализуется в абонентском комплексе

временных характеристик передачи и приема информации, способов генерирования и детектирования синхронизирующих импульсов и т. д. Более подробно изучение программного обеспечения ЛУВС требует обращения к специальной литературе, например к [4, 41]. Следует отметить, что архитектура программного обеспечения и топология ЛУВС составляют то общее, что характеризует структуру и взаимодействие подсистем в распределенных АСУ ТП. Отсюда вытекает важность стандартизации в области ЛУВС, установление стандартных протоколов всех уровней. В связи с этим кратко охарактеризуем существующие стандарты на локальные вычислительные сети для распределенных АСУ ТП.

Канал (магистраль) Рис. 2.13. Протоколы близко расположенных соединений абонентского комплекса

Стандарты на магистральные ЛУВС. В СССР практически действовала спецификация магистралей для распределенных АСУ ТП: ГОСТ 26139-84 на локальную вычислительную сеть для автоматизированных систем управления рассредоточенными объектами. В странах Западной Европы, США, Японии насчитывается несколько десятков различных типов магистральных систем передачи данных. Однако, согласно литературным источникам, перспективу принятия в

качестве стандартов среди однополосных магистральных систем для АСУ ТП имеют две спецификации: ПРОВЭЙ и IEEE 802. В 1980 г. Институт инженеров-электротехников и инженеров по электронике (США) сформировал комитет «Проект 802», который начал работу над стандартами локальных вычислительных сетей. Комитет рассмотрел два нижних уровня магистральных сетей со следующими методами доступа: с контролем несущей и разрешением столкновений (802.3), с передачей маркера по магистрали (802.4) и с передачей маркера по кольцу (802.5). Из них только 802.4 пригоден для применения в АСУ ТП.

1 2 4 3 2 1

Сопряжение с каналом УВМ Управление каналом УВМ Управление транспортом Управление сетью Управление каналом передачи данных Сопряжение с каналом передачи данных

Реализуется в адаптере УВМ или в сетевом адаптее Ас

Канал (магистраль) УВМ

2 4 3 2 1

Сопряжение с каналом передачи данных Управление каналом передачи данных Управление транспортом Управление сетью Управление каналом Сопряжение с каналом

Реализуется в адаптере канала связи Акс

Канал передачи данных

Реализуется в абонентском комплексе

6 5 2 1

Управление прикладными процессами (пользовательский уровень) Управление представлением Управление сеансами Управление каналом УВМ Сопряжение с каналом УВМ

Реализуется в УВМ

7

Магистраль

Рис. 2.14. Протоколы соединений удаленного абонентского комплекса

Для АСУ ТП в настоящее время унифицируется в международном масштабе магистраль передачи данных ПРОВЭЙ, рекомендации по которой подготовлены подкомитетом 65А Международной электротехнической комиссии (МЭК). Рекомендации относятся к нижним уровням функциональной структуры и не касаются трех верхних уровней так называемой архитектуры взаимодействия открытых систем, предложенной Международной организацией стандартов (ISO). Однако расслоение функциональной структуры не совпадает полностью с расслоением на нижних уровнях архитектуры открытых систем. Указанные выше стандарты ИЛПС, ГОСТ 26139-84, ПРОВЭЙ и IEEE 802.4 специфицируют в соответствии с архитектурой открытых систем физический, канальный и частично сетевой уровни. Во всех интерфейсах магистрали устанавливаются характеристики сопряжения между физическими и канальными, между канальными и сетевыми уровнями, а также протоколы канального и сетевого уровней. Протоколы сетевого и транспортного уровня для сетей АСУ ТП еще далеки от стандартизации. Транспортный протокол в большинстве распределенных АСУ ТП совмещается с сетевым.

2.6. Типовой состав технических средств АСУ ТП Обобщение в аппаратурном плане типовых структур многоуровневых систем управления технологическими процессами можно проиллюстрировать схемой взаимодействия уровней (рис. 2.15), в которой используются передача и распределенная обработка данных посредством общих шин [13, 14]. В соответствии со схемой на рис. 2.15 к общей шине 1-го уровня подключаются аппаратные и программно-аппаратные средства, к общей шине 2-го уровня - программные (на базе микроЭВМ) и общесистемные средства, и на 3-м уровне к общей шине подключаются программные средства (СМ ЭВМ, ЕС ЭВМ). Связь по вертикали (межуровневая связь) осуществляется посредством канала связи типа «моноканал» (коаксиальный или оптоволоконный кабель). Состав технических средств такой многоуровневой АСУ ТП включает в себя аппаратные, программно-аппаратные и общесистемные средства, а также УВМ верхнего уровня (семейство СМ ЭВМ). Типовой состав средств

перечисленных групп и некоторые технические характеристики приведены в табл. 2.3. Таблица 2.3 Типовой состав многоуровневой АСУ ТП Наименование модуля, блока, Основные характеристики устройства 1

1 Датчики Исполнительные устройства (механизмы) Модуль одноконтурного (цифрового, аналогового) регулирования Блок программно-задающего устройства Модуль управления

логико-командного

Модуль сбора предварительной обработки данных и контроля функционирования

2 Продолжение табл. 2.3

2 См. ГОСТ 26,010-81; 26,004-85 См. ГОСТ 3926-82; ГОСТ 7192-80 Длина слова 8-10 двоичных разрядов, количество входов-выходов 1-8, емкость памяти 0,5-5 К байт, время цикла 5 мс Длина слова 8-10 двоичных разрядов, количество входов-выходов 1-8, количество реализуемых участков программ- до 256, время цикла 5 мс Длина слова 8-10 двоичных разрядов, количество входов-выходов 1-8, количество реализуемых функций 16256, время цикла 5 мс Длина слова 8-10 двоичных разрядов, количество входов-выходов 1-8, количество реализуемых функций 16256, время цикла 5 мс То же

Модуль гальванической развязки, нормализации и фильтрации Модули представления данных, ¾¾¾¾¾ индикации, регистрации, выработки и выдачи управляющих воздействий Буфер памяти ¾¾¾¾¾ Дуплекс-канал связи ¾¾¾¾¾ Программируемый многорежимный ¾¾¾¾¾ таймер Устройство для решения специализированных задач, в том числе ¾¾¾¾¾ вычисление тригонометрических, логарифмических и других функций Програмно-аппаратные средства Длина слова 16 двоичных Блок многоконтурного регулирования(цифрового, аналого- разрядов, время цикла до 50 мс, число входов-выходов до 1024/128 цифрового)

Блок многосвязного программноТо же логического управления Блок многоканального сбора, ¾¾¾¾¾ обработки данных и контроля функционирования Программируемые Длина слова 16 двоичных микропроцессорные контроллеры разрядов, время цикла до 50 мс, число входов-выходов до 128, время цикла до 50 мс Окончание табл. 2.3 1 Общесистемные средства Адаптеры связи Блок подключения шин (контроллеры связи) Блок общей памяти Устройство общесистемной диагностики и определения аварийных ситуаций Процессор прямого доступа для накопления текущей информации Пульт оператора-технолога

2

¾¾¾¾¾ ¾¾¾¾¾ ¾¾¾¾¾ ¾¾¾¾¾ ¾¾¾¾¾ ¾¾¾¾¾

ЕС ЭВМ

СМ ЭВМ

Другие ЭВМ

3-й уровень Общесистемные средства

МикроЭВМ

2-й уровень Аппаратные средства

Программноаппаратные средства

1-й уровень

Рис. 2.15. Схема взаимодействия аппаратных, программно-аппаратных и общесистемных средств в многоуровневой распределенной АСУ ТП

2.7. Основные понятия и определения типизации, унификации и агрегатирования технических средств и КТС Прежде чем определить принципы построения КТС для автоматизации технологических процессов на основе системного подхода, остановимся на содержании используемых в технической литературе терминов «типизация», «унификация», «параметризация» и других, которые будут использоваться ниже. Типизацию определим как «обоснованное сведение многообразия избранных типов конструкций машин, оборудования, приборов, ... к небольшому числу» наилучших с какой-либо точки зрения образцов, обладающих существенными качественными признаками. Например, типизация технологических процессов заключается в выборе для внедрения из всей массы действующих технологий только наиболее производительных и рентабельных. В процессе типизации разрабатываются и устанавливаются типовые конструкции, содержащие общие для ряда изделий (или их составных частей) базовые элементы и

конструктивные параметры, в том числе перспективные, учитывающие последние достижения науки и техники. Процесс типизации эквивалентен группированию, классификации некоторого исходного, заданного множества элементов в ограниченный ряд типов с учетом реально действующих ограничений, целей типизации; другими словами, типизация является оптимизационной задачей с ограничениями. Типизация предшествует унификации - «приведению различных видов продукции и средств ее производства к рациональному минимуму типоразмеров, марок, форм, свойств и т. п.». Унификация вносит единообразие в основные параметры типовых решений технических средств, необходимое для их совместного использования в АСУ ТП, и устраняет неоправданное многообразие средств одинакового назначения и разнотипность их частей. Одинаковые или разные по своему функциональному назначению устройства, их блоки, модули, но являющиеся производными от одной базовой конструкции, образуют унифицированный ряд. Унификация позволяет за счет применения общих и типовых конструктивных решений использовать принцип агрегатирования, создавать на одной основе различные модификации изделий, выпускать технические средства одинакового назначения, но с различными техническими характеристиками, удовлетворяющими потребностям того или иного производства, технологии. Такие изделия одного типа, но с различными техническими параметрами образуют параметрический ряд. Агрегатирование предусматривает разработку и использование ограниченной номенклатуры типовых унифицированных модулей, блоков, устройств и унифицированных типовых конструкций (УТК) для построения множества проблемно-ориентированных установок и комплексов, технические параметры которых в значительной степени удовлетворяют потребительским целям. Типизация, унификация и агрегатирование являются основополагающими принципами построения ГСП [7, 16, 28] и обеспечивают возможность эффективного ее использования при комплексной автоматизации производства и, в частности, при проектировании и внедрении АСУ технологическими объектами и агрегатами. Применение микропроцессоров и микроЭВМ позволяет эффективно и экономно реализовать принцип функциональной и топологической децентрализации АСУ ТП. Тем самым можно значительно повысить надежность и живучесть системы, сократить дорогостоящие линии связи, обеспечить гибкость функционирования и расширить область применения в народном хозяйстве комплексов технических средств, основным элементом которых является микроЭВМ или микропроцессор. В таких распределенных системах управления большое значение приобретает

стандартизация интерфейсов, т. е. установление и применение единых норм, требований и правил, гарантирующих информационное объединение изделий КТС в типовых структурах АСУ ТП. Из определения унификации вытекает, что главной задачей этого процесса следует считать выработку и реализацию единых требований к «внешним» характеристикам типовых решений, определяющим их взаимную совместимость в рамках АСУ ТП, и единых терминологий, форм и состава документации. При разработке типовых структур АСУ ТП, образуемых совокупностью однотипных связей между компонентами системы, обычно принимают и отражают в документации шесть структур: функциональную (ФС), алгоритмическую (АС), программную (ПС), техническую (ТС), информационную (ИС) и организационную (ОС). Функциональная и алгоритмическая структуры, компонентами которых являются функции АСУ ТП и ее элементов, и алгоритмы, реализующие эти функции, характеризуют систему в целом и определяют все остальные структуры АСУ ТП, в том числе и ТС (техническое обеспечение). В свою очередь, ФС, АС, а также ИС определяются составом и функциями ТОУ. Поэтому формирование типового КТС (ТС АСУ ТП), выявление его компонентов и их взаимосвязи (предметный аспект системного подхода) должны, очевидно, опираться на исследования классов ТОУ и функциональные, алгоритмические, информационные структуры типовых АСУ ТП (в первую очередь). Можно сформулировать ряд принципов типизации КТС, базирующейся на изучении разнообразных ТОУ и принципов организации АСУ ТП [8, 14 - 19]. 1. Принцип проблемной ориентации, в соответствии с которым определяются типовые решения на основе анализа многократно встречающихся проблем при автоматизации различных отраслевых технологических процессов. Типовые решения касаются математического, программного и информационного обеспечения (ТР-математика), технического (ТР-техника) и методического обеспечения (ТР-методика). 2. Принцип системной ориентации на конкретный класс ТОУ. Минимальное число признаков ТОУ включает в себя: - уровень управления: верхний (цехи, производство) и нижний (технологические установки, агрегаты); - характер протекания технологического процесса (непрерывный, непрерывно-дискретный, дискретный); - условная информационная мощность (малая – до 256 параметров контроля и управления, средняя – от 256 до 600, повышенная – от 600 до 1600 и большая – свыше 1600 параметров). В соответствии с принципом системной ориентации для класса ТОУ из совокупности существующих ТР формируется конкретная система

типовых решений (СТР), охватывающая общесистемные решения, типовые для данного класса ТОУ: укрупненная структура КТС; общее программное обеспечение; общесистемное функционирование; наличие руководящих технических материалов (РТМ); наличие ресурсов по перечню функций и возможность их расширения. 3. Принцип объектной ориентации, согласно которому в классе АСУ ТП определены компоненты типовой документации или унифицированные технические проекты (УТП). В их состав входят математические модели объекта и внешней среды, алгоритмы управления этими моделями, кодирование информации, размещение оборудования, входящего в состав КТС. 4. Принцип вложения, который можно проиллюстрировать «схемой вложения» ТР i => СТР j => УТП n (i < j < n). Особенностью перемещения по схеме вложения является сужение области применения данного типа решения по мере перехода к классу и конкретному объекту из этого класса. Эти принципы типизации должны, очевидно, быть дополнены требованиями полноты ТР, СТР и УТП, настраиваемости и перспективности развития (эволюции) КТС.

2.8. Состояние и тенденции развития КТС АСУ ТП 2.8.1. Общая характеристика современного состояния комплекса технических средств АСУ ТП и их практической реализации на зарубежных и отечественных предприятиях. Программируемые микропроцессорные контроллеры (ПМК) ремиконты и ломиконты Известно, что на долю датчиков и измерительных приборов приходилось до 40% всех расходов на автоматизацию крупных предприятий. Это обстоятельство и быстрое развитие микропроцессорной техники привело к созданию интеллектуальных датчиков, что обеспечило возможность обработки измерительной информации в месте ее возникновения в технологических процессах и потребление ее без передачи в центральную ЭВМ.

Создание многофункциональных датчиков на основе микропроцессоров и сенсоров, уменьшение их размеров привело к сокращению роли вторичных приборов и других средств традиционной локальной автоматизации технологических процессов, что позволило в несколько раз сократить количество необходимых щитов КИПиА для размещения устаревших средств автоматизации. Так появился термин и метод бесщитового управления. А декомпозиция сложного централизованного управления с одной управляющей ЭВМ (УВМ), характеризующейся малой надежностью, на ряд подсистем на основе многофункциональных программируемых микропроцессорных контроллеров (ПМК) позволила осуществить распределенное управление отдельными переделами (цехами) всего технологического процесса предприятия. В итоге были созданы и действуют бесщитовые распределенные системы управления (РСУ), обеспечивающие надежность, гибкость и экономичность АСУ ТП [12, 25, 26]. Для технической реализации таких АСУ ТП стал выпускаться ряд малогабаритных локальных микропроцессорных регуляторов типа «Протерм 100», «Минитерм 300», «ИТР-2» и много других, обладающих повышенной надежностью и режимами позиционного и ПИДрегулирования, а также мощные программно-технические комплексы (ПТК) «Квинт», «Комплекс», «Техноконт», «Униконт», «Миксис» и др. Основу функционирования, например, ПТК «Комплекс» составляют электронные устройства: датчики, контроллеры регулирующие Р-110, Р-130, логические Л-110, Ш-711, ЧСК, средства передачи данных, ПЭВМ в роли операторской станции и др. [1, 2, 25, 26]. Программируемые микропроцессорные контроллеры (ПМК), сокращенно микроконтроллеры, доступны в эксплуатации персоналу, не имеющему знаний в области программирования. Логические ПМК, предназначенные для замены таких устройств электроавтоматики, как релейные и логичесеские схемы, командные аппараты, нашли широкое применение в практике автоматизации технологических процессов и положили начало развитию других направлений применения ПМ (регулирующего и координирующего типов). Главный недостаток аппаратных релейно-контактных устройств управления по принципу жесткой логики – недостаточная гибкость при внесений изменений в алгоритм, введение новых функций и др. ПМК логического управления обладают существенным преимуществом при использовании их для решения сложных задач управления (например, при наличии 20 и более реле в заменяемой релейно-контактной схеме). Промышленностью выпускаются логическо-программные многоканальные контроллеры – «Ломиконты» сер. Л-110, Л-И2, Л-120, Л-122; регулирующие контроллеры – «Ремиконты» сер. Р-110, Р-122, Р-130, КР-300 и др. Важной особенностью этих контроллеров является развитое

внутреннее программное обеспечение, не требующее использования внешних программных средств – операционных систем, трансляторов и т.п. Оператор работает с такими приборами с использованием так называемого технологического программирования, привычного для специалистов по автоматическому и технологическому управлению с помощью традиционных аналоговых средств. На одном регулирующем микроконтроллере (например, Р-122) можно реализовать автоматическое регулирование, эквивалентное регулированию 8–16 локальными аналоговыми регуляторами. При этом следует особо отметить компактность прибора: габариты его почти не отличаются от традиционного аналогового ПИД-регулятора. МикроЭВМ. Основу микроЭВМ составляет микропроцессор, который совместно с дополнительными устройствами (вспомогательной памятью, периферийными устройствами, средствами связи и структурнонеобходимыми другими микропроцессорами и БИС) обеспечивает решение совокупности разнообразных относительно несложных задач. В частности, это широко распространенные задачи по управлению производственным агрегатом или технологическим процессом с помощью вычислительного комплекса небольшого быстродействия по вводу-выводу. Умеренные технологические возможности микроЭВМ (по сравнению с миниЭВМ) определяют низкий уровень их стоимости, компактность и обширную область применения в промышленных системах управления в качестве базовых средств построения АСУ ТП. Отечественный и зарубежный опыт применения ПМК в распределенных АСУ ТП привел к дальнейшему совершенствованию их и производству рядом отечественных фирм. Промышленные контроллеры сер. ЭК-2000 фирмы «Эмикон» [25, 26] в зависимости от конфигурации могут быть отнесены к контроллерам как малого (до 64 входов-выходов), так и среднего (до 320 входов-выходов) классов. Их можно легко объединить в локальную сеть на базе интерфейсов К8-232С, К8-485, «токовая петля» 20 мА, модем У23. С 1995г. контроллеры серии ЭК-2000 наряду с использованием на предприятиях черной металлургии стали активно применяться на предприятиях нефтегазового комплекса. На базе контроллеров серии ЭК2000 внедрены системы управления перекачивающими станциями магистральных газопроводов РАО «Газпром»; отечественная микропроцессорная САР АО «Прикаспийско-Кавказские магистральные нефтепроводы» на базе контроллеров ЭК-2314. Фирма «Эмикон» является системным интегратором и поставляет комплектное оборудование для построения систем автоматизации (СА), включающих в себя датчики, исполнительные механизмы, промышленные панели оператора, контроллеры, промышленные компьютеры,

регулирующие приводы постоянного и переменного токов, серводвигатели и тяговые двигатели постоянного тока, бесколлекторные серводвигатели и другое оборудование, необходимое заказчику. Пензенское АО «Электромеханика» разработало новый программируемый контроллер ПКЭМ-3 в стандарте МЭК-1131, предназначенный для управления технологическими процессами в энергетике, металлургии, нефтяной, газовой промышленностях и в других отраслях; использование его в составе программно-технического комплекса «Дирижер» обеспечивает гибкость решения для управления и сбора данных. Московское НПО «Техноконт» [28] разработало многофункциональный комплекс программно-аппаратных средств для построения распределенных систем управления – МФК «Техноконт». Важным достижением является новый многоцелевой контроллер КР-300 сер. КОНТРАСТ (КОНТроллеры для РАСпределенных систем автоматизации Технологических процессов) [51], который разработан и производится в г. Чебоксары ЗАО «ЗЭ и М-Инжиниринг» как основной элемент поставляемых программно-технических комплексов для АСУ ТП различных областей промышленности. Разработка выполнена на основе опыта производства и эксплуатации контроллеров «Ремиконт Р-110», «Ломиконт Л-110», «Ремиконт Р-130, РК-131/300» с применением современных электронных компонентов ведущих зарубежных производителей. Последнее обстоятельство позволило обеспечить высокие (на уровне современных зарубежных аналогов) технические характеристики контроллера, в том числе повышенную надежность и помехоустойчивость, а конструктивная унификация с отечественными приборами Р-130, РК-131 – сравнительно низкую стоимость РК-300. Важной особенностью является поставка фирменного программного обеспечения, реализующего функционирование и обслуживание контроллера, а также решающего задачи технолога-оператора на высшем уровне. Программирование контроллеров выполняется на технологических языках двух классов, позволяющих обходиться без профессиональных программистов: языке Функциональных Алгебраических Блоков ФАБЛ (библиотека – до 256 алгоритмов, программы – до 999 алгоблоков) и процедурном языке высокого уровня ПРОцедурный ТЕКСТ (ПРОТЕКСТ). Процесс программирования на языке ФАБЛ сводится к объединению в систему заданной конфигурации нужных алгоритмов, а на языке ПРОТЕКСТ – к записи условий, содержащих алгебраические логические выражения. Все алгоритмы библиотек ФАБЛ могут использоваться в качестве встроенных функций языка ПРОТЕКСТ. Язык ФАБЛ удобен при разработке программ регулирования, язык ПРОТЕКСТ – для создания программ логического уровня, защит и блокировок, решения вычислительных задач, ввода-вывода текстовых

сообщений и т.п. Разработка и отладка технологических программ осуществляются на персональном компьютере с помощью пакета ИСТОК, содержащего табличные, графические и текстовые редакторы подготовки программ, трансляторы, загрузчики и другие инструментальные средства для подготовки и отладки технологических программ. ФАБЛ или ПРОТЕКСТ-программа (или комбинация) записываются в энергонезависимую флэш-память контроллера. На ряде предприятий успешно работает АСУ ТП на ПТК зарубежных фирм [1, 2]. Например, на Омском НПЗ работает АСУ ТП первичной переработки нефти, реализованная на контроллерах МОD-30, МОD-300, барьерах искрогашения и других устройствах фирмы АВВ (США). Основные технические данные контроллера MOD-30: 2 контура ПИДрегулирования; 3 аналоговых входа и 2 аналоговых выхода; 2 дискретных входа и 3 дискретных выхода. В составе АСУТП одного из больших цехов используется MOD-30 – 30 шт.; MOD-300 – 1шт., один шлюз (РС и программный пакет 1п Тouсh, Wonder Ware), на котором также отображаются лабораторные данные аналитического контроля. На рис. 2.16 показана схема включения датчика и исполнительного механизма в контур автоматического регулирования. АСУ ТП этого цеха связана с единой информационной сетью (EUC) верхнего уровня управления (АСУП) через шлюз. К EUC подключены серверы данных реального времени с других подразделения цеха (РI archivc) и данные лабораторного аналитического контроля исходного сырья, изготовляемых продуктов и основных материалов (Blekher). Другой пример структуры КТС АСУ ТП комплекса производства ароматики (КПА) представлен на рис. 2.17. Здесь технологический процесс контролируется и управляется по 3500 параметрам, при этом около 650 параметров регулируются через примерно 1500 исполнительных механизмов. Полевое оборудование представлено датчиками температуры (ТХК, ТХА), давления с тензорезисторными преобразователями ТВ 1303 фирмы Тэйлор (США), расхода по переменному перепаду давления с преобразователями ТВ 1303, уровня гидростатического типа с преобразователем ТВ 1303, дискретными датчиками, а также исполнительными устройствами в виде электропневматических клапанов (ЭКМ) и реле. Блоки обеспечения ввода-вывода представлены блоками TRIO для преобразования аналоговых и дискретных сигналов датчиков в цифровой код и цифровых кодов в аналоговые сигналы для исполнительных механизмов. Блоки TRIO имеют 4 входа и 2 выхода аналоговых сигналов и 16 входов и 32 выхода дискретных сигналов. При этом блок TRIO С8А работает с

аналоговыми сигналами термопар (верхний предел 1350 мВ), блок TRIO VI имеет 16 дискретных входов, блок TRIO DO имеет 32 дискретных выхода. LAN – это устройство связи (4 провода) между блоками TRIO и контроллерами. Один LAN рассчитан на 20 – 30 блоков TRIO. На один контроллер МОD-300 предусмотрено два LANa. DNS – это высокочастотное кольцо связи с подсистемами (установками), DPSS – база данных (для конфигурирования, задания управляющих функций для контроллера). Операторская консоль 1...8 MOD-300 – это рабочее место операторовтехнологов для управления технологическими процессами секций 100, 200, 300, 400, 500, 600, 700, 800 для производства бензола, ортопараксилолов и ароматики С9 и C10. Инженерная консоль MOD-300 служит для наблюдения за работой всей системы, ее техническим состоянием (диагностика технического состояния всей системы). Высокие требования, предъявляемые к химико-технологическим и теплотехническим процессам по пожаро-взрывоопасности приводят к необходимости, что подобные объекты преимущественно оснащаются регулирующими и двухпозиционными исполнительными механизмами (ИМ) с пневматическими приводами. Кроме того, на некоторых действующих объектах продолжают применять датчики с пневматическими выходными сигналами. В то же время при автоматизации подобных объектов широко применяются микропроцессорные электронные средства контроля и управления. В этой связи становится необходимым обеспечение надежного и эффективного сочленения пневматических и электронных средств. При большем числе пневматических аналоговых датчиков может быть использован групповой 32-канальный пневмоэлектропреобразователь типа ПЭ-32 [30], в составе которого представлен контроллер «Ремиконт Р-130», проводящий опрос пневматических коммутаторов, выходные сигналы которых преобразуются в стандартные токовые сигналы, поступающие на входы контроллера Р-130. Достоинство предлагаемой схемы – возможность безударного перевода с автоматического режима в режим ручного управления и ее энергозащищенность по питанию. Датчик Д

1152FZ ABB Барьер

Блок питания

1152FZ ABB Контроллеры MOD-30, MOD-300

Барьер

Преобразователь Fisher 646 I

P

Пневмоклапан

Рис. 2.16. Блок-схема контура регулирования

Более новым устройством для ввода информации от первичных пневматических датчиков в электронные системы контроля и управления является многофункциональный ПЭП типа АСТРА-8М [52], преобразующий унифицированные пневматические аналоговые сигналы в унифицированные электрические типовые аналоговые сигналы в системах автоматического контроля, регулирования и управления ТП. Мировая научная общественность держит под постоянным вниманием состояние и тенденции развития систем управления технологическими процессами. Не реже, чем 3 раза в год, в Институте проблем управления РАН (ИЛУ РАН) проходят международные семинары-презентации новейших средств автоматизации и программного обеспечения ведущих отечественных и зарубежных фирм. По охвату количества представляемых материалов этот семинар можно смело отнести к ведущему в России информационному центру по АСУ ТП, который является дополнением к проводящимся в г. Москве всемирным выставкам «Автоматизация». Апрельский 1996 г. [3] семинар провел основательное обобщение по состоянию и тенденциях в области разработки и внедрения АСУ ТП. Он собрал наибольшее количество представителей крупнейших нефтедобывающих, нефтеперерабатывающих, химических, металлургических комплексов, предприятий машиностроения и энергетики: НИПИнефть и «Экополимер» (г. Харьков), АО «Акрон» (г. Новгород), Каменский химкомбинат (г. Каменск-Шахтинск Ростовской области), Уральский электрохимический комбинат (г. Новоуральск Свердловской области), АО «НЛМК» (г. Липецк), АО «Кировский шинный завод» (г. Киров), Павлодарский алюминиевый завод (г. Павлодар), АО «Криогенмаш» (г. Балашиха Моск. обл.,), АО»Машиностроительный завод» (г. Электросталь Моск. обл.,), Тюменьэнерго НИИатомных реакторов (г. Дмитровград Ульяновская обл.) и др.

Рис. 2.17. Структура КТС АСУТП комплекса производства ароматики

Фирма DEP (г. Москва) представила системы сбора, обработки информации на технологических объектах для учета, контроля, управления и защиты от аварий. Эти системы позволяют решать классические задачи телемеханики самыми современными методами и применяются в электроснабжении, теплоэнергетике, водоснабжении, на транспорте и в других объектах, характеризующихся медленнотекущими процессами и распределением объектов контроля и управления на многие десятки километров.

Фирма AEG Modicon (Германия-Франция) поставляет контроллеры, пользующиеся большой популярностью на российском рынке, они активно внедряются в различных отраслях: энергетике, химии, машиностроении, производстве строительных материалов и др. Невысокая стоимость, износоустойчивая модульная структура контроллеров, возможность реализации распределенных систем управления (РСУ) с мощным человекомашинным интерфейсом, высокая надежность обеспечивают успех фирме AEG Modicon в России. О масштабах фирм-империй АВВ и Simens со штатами соответственно 200 тыс. и 370 тыс. чел. можно также судить по отчислениям на научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы в суммах 26 млрд долларов США и 7,2 млрд немецких марок. Но участие этих фирм в проектах по внедрению АСУ ТП в России весьма скромное. Фирма Prosoft, являющаяся поставщиком в Россию IBM PS совместимых промышленных компьютеров, программного обеспечения, различных устройств для индустриальных систем управления, демонстрировала также ноутбуки, построенные на процессорах 80486DX/2, способные работать при температуре среды -20…+50ºC в условиях вибрации, пыли, высокой влажности, масляных загрязнений, выдерживать ударную нагрузку 15 дБ при работе и 50 дБ при хранении. АО «Эмикон» демонстрировала контроллеры сер. ЭК-2000, отличающиеся высокими эксплуатационными свойствами, они построены на электронных элементах лучших зарубежных фирм. Фирма использует в качестве панелей операторов и промышленных компьютеров изделия фирмы R&D (Италия-США), что делает системы отвечающими самым высоким мировым стандартам. Со своими разработками познакомила российская фирма «Системный интегратор ИКТ» (информация, компьютеры, технология), расположенная в г. Москве. Фирма ИКТ предлагает весь комплекс вертикального интегрированного решения, охватывающего весь цикл работы предприятия от АСУТП до АСУП в целом на единой базе аппаратнопрограммных средств. Отмечено, что отечественные ПТК примерно в 3 раза дешевле по сравнению с аналогичными ПТК зарубежного производства. Большой интерес вызвали доклады, посвященные SCADA (SuperVisory Control и Data acquisition - систем). Все показанные системы – «Genesis», «RealFlex», «Image», «ТгасеМоde», RCS/С+, VNS, СКАТ-Х – описаны в соответствующих работах [9]. Преимуществом отечественных SCADA-систем (Тгасе Моde, RCS/С+, VNS) по сравнению с зарубежными является то, что они поддерживают связь как с зарубежными, так и с отечественными контроллерами, дешевле и не требуют длительного дорогостоящего сопровождения со стороны западных фирм.

Было отмечено, что выбор наиболее приемлемого варианта автоматизации представляет собой многокритериальную задачу, решением которой является компромисс между стоимостью, техническим уровнем, надежностью, комфортностью, затратами на сервисное обслуживание, полнотой программного обеспечения и др. Принятие окончательного решения из огромного разнообразия вариантов возможно только на основе проведения тендера под руководством специальных консалтинговых фирм, обеспечивающих объективную и независимую экспертизу предложений. Было отмечено, что в России отсутствует массовый спрос на современные средства автоматизации, характерный для промышленно развитых стран, что отражает неблагополучие в нашей экономике, кризисное состояние отечественной промышленности. Несмотря на большие вычислительные возможности современных процессоров, распространенные отечественные и зарубежные ПТК являются в основном системами диспетчерского управления и сбора данных. Мало используются экспертные системы, системы оптимального управления. Адаптивные и робастные алгоритмы применяются для отдельного контура управления и отсутствуют на уровне технологических процессов в целом. Было отмечено, что в системах управления наблюдается тенденция сосредоточения функций управления на одних и тех же средствах промышленных компьютерах, которые будут постепенно заменять логические и регулирующие контроллеры [50]. Это связано с резким удешевлением промышленных компьютеров, появлением недорогих интеллектуальных датчиков, имеющих с ними цифровую связь, разработкой универсальных SCADA - программ. Из предыдущего раздела нам известно, что современные АСУ ТП носят характер распределенных (территориально и функционально) систем управления (РСУ). Здесь целесообразно дать основные характеристики РСУ на основе книги [24], предназначенной для специалистов по автоматизации технологических процессов и производств, занимающихся разработкой и проектированием РСУ и может быть полезной преподавателям и аспирантам, а также рекомендована в качестве учебного пособия студентам, обучающимся по специальностям 210100 («Управление и автоматика в технических системах») и 210200 («Автоматизация технологических процессов и производств»). В РСУ в качестве узловых станций используются промышленные ПЭВМ или рабочие станции, операторские терминалы, программируемые контроллеры, серверы и др., а датчики и исполнительные устройства все чаще являются интеллектуальными устройствами, осуществляющими получение, обработку и преобразование информации в цифровой сигнал в месте их установки.

Большое влияние на средства передачи информации оказывают глобальные сети Internet. В последние годы наметилась интеграция АСУ ТП и АСУП на базе сервера БД РВ, являющегося ядром интегральной системы управления. Сформированная архитектура РСУ включает уровни датчиков и исполнительных механизмов (уровень 0 или полевой уровень), устройства связи с объектом (1-й уровень), контроллеров (2-й уровень) и автоматизированных рабочих мест (АРМ) оператора (3-й уровень или диспетчерский уровень). В последние годы, однако, эта архитектура претерпевает существенные изменения. Все большее число фирм (OSI Soft, Simens, Iconics и ряд др.) поставляют на рынок промышленной автоматизации законченные решения по автоматизации технологических процессов и предприятий в целом, обеспечивая как горизонтальную, так и вертикальную интеграцию вычислительных ресурсов с использованием единой базы данных (сервера) для решения всего комплекса задач управления предприятием. Располагаясь в иерархической структуре РСУ между 3-м уровнем и уровнем АСУП (4й административный или бизнес-уровень), сервер единой базы данных трансформирует информацию с нижних уровней, в том числе от систем АСКУЭ – автоматизированной системы контроля и учета энергоресурсов, АСОДУ – автоматизированной системы оперативнодиспетчерского управления и др., передает ее в унифицированном виде на административный уровень. Таким образом, сервер единой базы данных становится ядром интегрированной системы управления предприятия в целом. Программируемые микропроцессорные контроллеры. Ремиконты и ломиконты Технической основой современных распределенных систему правления, в частности распределенных автоматизированных систем управления технологическими процессами (АСУ ТП), являются микропроцессоры (МП) и микропроцессорные системы (МПС). МПС называется любая вычислительная, информационноуправляющая или управляющая система, устройством обработки информации которой является микропроцессор. Она выполняет функции сбора данных (коммутация сигналов, их унификация, фильтрация, преобразование в цифровую форму, ввод в базу данных и др.), регулирования и управления, визуализации всей информационной базы данных, изменения установок, параметров регуляторов и самих алгоритмов, оптимизации и т.д. Использование МП, МПС (в т.ч. микроЭВМ) для решения перечисленных задач дает возможность достичь

следующих целей: 1) заменить аналоговые технические средства на цифровые там, где переход к цифровым средствам повышает точность, расширяет функциональные возможности и увеличивает гибкость систем управления; 2) заменить технические средства с жесткой логикой на программируемые (с возможностью изменения программы) устройства или контроллеры; 3) заменить одну мини-ЭВМ системой из нескольких микроЭВМ, когда необходимо обеспечить децентрализованное управление производством или технологическим процессом с повышенной надежностью и живучестью или когда возможности мини-ЭВМ полностью не используются. МПС могут выполнять в подсистемах распределенной АСУ ТП все типовые функции контроля, измерения, регулирования, управления, представления информации оператору. Программируемый микропроцессорный контроллер (ПМК) выполняет функции преобразования, обработки, хранения информации и выработки команд управления и является, по сути, специализированной управляющей микроЭВМ для работы в локальных и распределенных системах управления в реальном времени в соответствии с фиксированным набором рабочих программ, размещенных в ПЗУ и ОЗУ. По своему назначению – областям проблемной ориентации – ПМК бывают: 1) микроконтроллерами, предназначенными для замены устройств электроавтоматики на крупносерийном и массовом производстве – релейных и логических схем, командных аппаратов; такие ПМК логического типа появились на базе развития и слияния средств вычислительной техники на МП, релейной бесконтактной автоматики и циклового программного управления технологическим оборудованием, именно логические ПМК положили начало в ряду программируемых контроллеров; 2) микроконтроллерами регулирующего типа, предназначенными для замены аналоговых, импульсивных и цифровых регуляторов, обычно использовавшихся как основа средств автоматического регулирования; 3) микроконтроллерами координирующего типа, предназначенными для реализации функций программных задатчиков, специальных алгоритмов логико-командного управления периферийными устройствами, функций координирующей микроЭВМ в распределенных АСУ ТП (ведущий контроллер). Наиболее распространенными являются микроконтроллеры регулирующего типа (ремиконты) и логического типа (ломиконты).

Началом развития микроэлектронных средств вычислительной техники является создание в 1971 г. фирмой «Интел» (США) программируемой (с помощью программных средств) микроинтегральной схемы, названной микропроцессором (МП). Почти все микропроцессоры изготавливаются на кремниевых кристаллах с длиной стороны куба 6,4 мм. В зависимости от конструктивного исполнения интегральная микросхема имеет от 16 до 64 выводов. Основные особенности ПМК, отличающие их от управляющих мини-ЭВМ микроЭВМ: - проблемно-ориентированное программное обеспечение на конкретную задачу или набор задач; - схожесть физической структуры ПМК различных назначений; - программирование ПМК в процессе их изготовления, а возможное изменение программы работы, настройка, реконфигурация и т.п. осуществляются на пульте оператора клавишами, перемычками, как в обычных аналоговых устройствах автоматики; - ПМК предназначены для эксплуатации в непосредственной близости от технологического оборудования, поэтому в ПМК обеспечиваются необходимая защита от промышленных помех, гальваническая развязка от внешних цепей оптронами (оптоэлектронный прибор, позволяющий передавать информацию с помощью оптической среды), ферритовыми трансформаторами; - модульная структура ПМК, позволяющая наращивать память ПМК, изменять число входов и выходов и т.п.; - меньший объем памяти и меньшее число электронных блоков в составе ПМК по сравнению с микроЭВМ; - наличие сканирующих (коммутирующих) устройств для поочередного опроса входов и выходов ПМК. К настоящему времени промышленностью выпускается ряд серий ремиконтов (Р-100, Р-110, Р-112, Р-120, Р-122, Р-130, РК-131, КР-300). Эти контроллеры предназначены для построения многоканальных систем регулирования с выполнением функций стабилизации, экстремального и многосвязанного регулирования. Требуемый алгоритм регулирования, его параметры, связи с внешней аппаратурой набираются оператором с помощью клавиатуры, снабженной общепринятыми в практике автоматизации терминами и символами. Представление информации оператору производится при помощи светодиодных и цифровых индикаторов. Например, Р-122 имеет до 64 аналоговых и 126 дискретных входов. На выходах формируются аналоговые и дискретные команды сигнализации и управления стандартными исполнительными механизмами. Программная реализация типового состава функций

включает 45 алгоритмов регулирования и логического управления, например аналоговый и импульсный ПИД-законы регулирования, автоподстройки, программное задание, нелинейные преобразования, булевые функции и др. На одном приборе Р-122 можно реализовать автоматическое регулирование, эквивалентное регулированию 8÷16 локальными аналоговыми регуляторами, габариты каждого из которых близки габаритам контроллера Р-110. В комплекс ПМК серий 110 и 120 входят также диалоговые дисплейные контроллеры «Димиконт Д-120» – многофункциональный пульт управления оператора, который может обслуживать системы автоматического регулирования, содержащие до восьми ремиконтов. Назначение его – для конфигурирования ремиконтов, регистрации реальной конфигурации ремиконтов, для информационного обеспечения динамической наладки контуров регулирования, контроля и регистрации параметров технологического процесса, оперативного управления процессом. Контроллеры РК-131 ориентированы на решение задач автоматизации технологических объектов различной сложности и обеспечивают регулирование, логическое управление, сбор информации, регистрацию и архивацию. Контроллер КР-300 серии КОНТРАСТ (контроллеры для распределенных систем автоматизации технологических процессов) разработан на основе опыта производства и эксплуатации контроллеров Р-110, Л-110, Р-130, РК-131/300 и с применением современных электронных компонентов ведущих зарубежных производителей. Отличается высокой надежностью и низкой стоимостью. Основы устройства и принципа действия ремиконта. Особенностью ремиконта является внутреннее программное обеспечение, не требующее внешних программных средств – операционных систем, транслятора, ассемблера и т.п. Другой важной особенностью ремиконта является программная реализация типового состава функций для систем автоматического управления локального уровня и подсистем АСУ ТП. Типовой состав функций ремиконта включает 25 алгоритмов регулирования: аналоговые и импульсивные стандартные ПИД-алгоритмы, ПИД-алгоритмы с нуль-органом, с дифференцированием, с автоподстройкой; динамические преобразователи (дифференцирование, интегрирование, слежение, программное задание); нелинейные преобразования (формирование кусочно-линейных функций, булевых функций, селектирование) и другие функции. Физическая структура ремиконта изображена на рис. 2.18. Микропроцессорный вычислитель ремиконта состоит из центрального процессора (ЦП), памяти программ – полупроводниковых

ПЗУ 8.1 и ПЗУ 8.2 (функциональные задачи ремиконта) и памяти данных ОЗУ 1 и ОЗУ 2. Первая область памяти данных ОЗУ 1 используется для временного хранения промежуточных данных и вычислений, вторая – ОЗУ 2 – содержит программируемые параметры ремиконта. Для сохранения информации при отключении питания (не менее 200 ч) ОЗУ 2 содержит резервный источник питания. Память программ ПЗУ 8.1 и ПЗУ 8.2 представляет собой полупроводниковые ПЗУ с неизменяемой и неразрушаемой информацией, «защитой» на заводе-изготовителе. Средства ввода-вывода информации ремиконта включают АЦП (до четырех блоков) на 16 аналоговых входов каждый; дискретно-цифровой преобразователь ДЦП (до восьми блоков) на 16 дискретных входов каждый; ЦАП (до восьми блоков) на 8 аналоговых выходов каждый; цифро-импульсный преобразователь (ЦИП) на 8 импульсных выходов; цифро-дискретный преобразователь (ЦДП) (до восьми блоков) на 8 дискретных выходов каждый. Для гальванического разделения входных и выходных аналоговых цепей в ремиконте используются гальванические разделители РГ1 и РГ2, благодаря которым подавляются промышленные помехи и ремиконт может работать с источниками и приемниками, находящимися под различными потенциалами по отношению друг к другу и к общему проводу ремиконта. Средства связи с оператором в ремиконте включают в свой состав панель оператора (ПО), подключаемую к внутрисистемной магистрали через умощнитель магистрали (УМ2), модуль индикации (МИн), модуль сигнализации отказа (МСО) и память ПЗУ 8.3. Панель оператора может отстоять от ремиконта на расстоянии до 3 м и служит средством общения оператора как с программным обеспечением ремиконта, так и с координирующей УВМ верхнего уровня АСУ ТП через устройства внешней интерфейсной связи (блок сопряжения).

Рис. 2.18. Физическая структура ремиконта

В постоянном запоминающем устройстве ПЗУ 8.3 хранятся программы обслуживания (ПО), программы тестирования и самодиагностики. Модуль МСО (светодиодные индикаторы) сигнализирует о неисправности блока питания стабилизированного (БПС), резервного питания (БРП), а также об ошибках при выполнении программ. Модуль МИн обеспечивает контроль дискретных входных и выходных сигналов. Блок сопряжения включает в себя модуль связи с кассетным накопителем (МКН), модуль интерфейса СМ ЭВМ ИРПС (МПС) и модуль интерфейса СМ ЭВМ ИРПР (МПР). Устройства внешней интерфейсной связи позволяют включать ремиконт в распределенную АСУ ТП. Модель «Ремиконт Р-100» позволяет реализовать следующие технические характеристики: Число входов: аналоговых……………….…………………………………………………до 64 дискретных……………………...…………………………………………до 126 Число выходов: аналоговых……………….…………………………………………………до 64 импульсных..…………….…………………………………………………до 64 аналоговых……………….…………..……………………………………до 126 Входные и выходные аналоговые сигналы…………………………………0-5;0-20 4-20 мА 0-10 В Входные дискретные сигналы, В: логический «0»…….…….……………………………………………………0-3 логическая «1»…….…….…………………………………………………18-30

Выходные дискретные и импульсные сигналы (состояние контактов): логический «0»…….…….…………………………………………разомкнутое логическая «1»…….…….……………………………………………замкнутое Время цикла, с……………………………………………………………..0,27-1-2,04 Точность установки сигнала задания, %………………………………...…...…...0,1 Статическая точность стабилизации, %..............................…………………...0…0,2

Способность ремиконта к реконфигурации и созданию канала регулирования с нужными динамическими свойствами (так называемая «виртуальность» структуры) является еще одной особенностью ремиконта и программируемых микропроцессорных контроллеров вообще. Пример возможной виртуальной структуры восьмиканального варианта ремиконта показан на рис. 2.19. Такая конфигурация ремиконта имеет 16 аналоговых и 32 дискретных входов, 8 аналоговых и 16 дискретных выходов. Структура управления содержит 8 каналов с восьмью входами в каждый канал, библиотеки алгоритмов и блок коэффициентов (параметров настройки). Ремиконт имеет жесткосвязанные выходы каналов с выходами контроллера. Остальные связи по входам устанавливаются в произвольном сочетании с панели оператора.

Рис. 2.19. Пример виртуальной структуры ремиконта

Алгоритмическое обеспечение ремиконта оформлено в виде библиотеки алгоблоков, из которых потребитель выбирает интересующие его блоки. На рис. 2.20 изображена функциональная структура алгоблока. Каждый алгоблок имеет восемь входов и три выхода (один аналоговый и два дискретных). Также показаны возможные коммутации на панели оператора ПО: АВТ – автоматическое управление через узел задания ЗДН, от ведущего алгоблока (ВДЩ) при каскадном регулировании (КСК), от УВМ при супервизорном управлении, ручное управление РУЧ с панели оператора. В секцию алгоритма помещается один из алгоритмов управления (библиотека алгоритмов ремиконта содержит 25 алгоритмов). В секции конфигурации размещается информация, указывающая на элементы виртуальной структуры, с которыми соединяются входы и выходы алгоблока. Секция коэффициентов алгоблоков содержит коэффициенты статической и динамической настройки.

Рис. 2.20. Состав алгоблока ремиконта (пример)

Пример применения ремиконта [47]. В целом применение ремиконта экономически целесообразно в АСР с большим числом каналов регулирования (6÷8 и более).

Рис. 2.21. Схема программирования ремиконта: 1,2,3,4 – последовательные операции формирования системы регулирования с помощью пульта

Алгоблоки (в «Ремиконте Р-100» их 64) и библиотека алгоритмов оформлены в виде программ в памяти ПЗУ 8.1, ПЗУ 8.2. Для автоматизации процессов к ремиконту к соответствующим входным и выходным устройствам подключают соответственно датчики и исполнительные механизмы и тем связывают его с одним или несколькими управляемыми объектами и подсоединяют пульт. Далее, пользуясь только этим пультом, можно начать сборку системы регулирования (рис. 2.21). Оператор сначала набирает нужный номер соответствующего алгоблока, переводит пульт в режим алгоритма (см. рис. 2.21) после чего набирает номер, под которым в библиотеке хранится требуемый алгоритм, например ПИД. Во время такой манипуляции ранее пустой блок «начиняется» нужным алгоритмом и в функциональном отношении становится традиционным аналоговым прибором. Для включения алгоритмического блока в систему управления теперь достаточно нажать на пульте клавишу «Конфигурация» и набрать номер цепи, с которой надо провести соединение (датчики, исполнительные механизмы и пр.).

Рис. 2.22. Схема применения ремиконта для регулирования температуры пропарочной ванны и влажности высушенной ткани или основы: t0 – заданное значение температуры; m0 – заданное значение влажности; Ф – фильтр; ∑ – сумматор

Последнее, что нужно сделать, настроить приборы алгоритмические блоки для решения конкретной задачи, т.е., например, в случае ПИД-алгоритма это выбор соотношения между П-, И-, Д составляющими закона регулирования. Для этого необходимо перевести пульт в режим «Коэффициенты», набрать по номеру требуемый коэффициент и по цифровому индикатору установить его значение.

Подобным программированием оператор, двигаясь от одного алгоритмического блока к другому, создает нужное количество ПИДрегуляторов, дополняет их функциональными преобразователями, формирует требуемую конфигурацию системы и настраивает ее параметр. Один ремиконт Р-100 может заменить в среднем 25–30 аналоговых приборов. Пример применения ремиконта для регулирования температуры пропиточной ванны и влажности выходящей основы или тканей на шлихтовальных или красильно-отделочных машинах показан на рис. 2.22 [51, 52]. Один такой ремиконт может обслужить, например, все машины шлихтовального отдела. Общее устройство и принцип действия контроллера логического микропроцессорного типа ломиконт. Ломиконт предназначен для широкого круга задач автоматического управления технологическими процессами. Ломиконт – многоцелевой контроллер общепромышленного назначения. Он обрабатывает дискретные, аналоговые и импульсные сигналы, формирует дискретные, аналоговые и импульсные выходные сигналы, выполняет операции управляющей логики, имеет таймеры и счетчики, параллельно с логическим управлением осуществляет сложную обработку аналоговых сигналов, в т.ч. фильтрацию, интегрирование, ПИ -, ПИД - регулирование с автоподстройкой и без нее, интерполяцию по времени и параметру, позволяет выводить технологические обобщения и текущие значения параметров на дисплей для наблюдения за ходом процесса и на печатающее устройство для документирования процесса управления. Ломиконт может работать как на нижнем уровне крупной распределенной АСУ ТП, связываясь с ЭВМ верхнего уровня по каналу цифровой связи, так и в качестве автономного изделия, решающего комплекс задач логического управления, регулирования, представления информации о процессе управления. Работать с ломиконтом может проектировщик системы управления и эксплуатационный персонал, связанный с обслуживанием традиционной релейной и аналоговой аппаратуры и не знакомый с вычислительной техникой и методами программирования. Ввод в ломиконт программы управления конкретным технологическим объектом (программы пользователя) и отладка этой программы называется технологическим программированием ломиконта. Технологическое программирование можно выполнять непосредственно на объекте, а можно, используя встроенные в ломиконт программноаппаратные средства отладки, выполнить на ломиконте, установленном в проектной организации, без реальных датчиков информации и исполнительных механизмов. При работе с ломиконтом используется

микропроцессорный пульт ломиконта, имеющий экран и специализированную клавиатуру. Программа пользователя (ПрП) составляется на технологическом языке ломиконта – МИКРОЛЕ. Работа оператора с пульта происходит в диалоговом режиме с автоматическим контролем правильности действий оператора. ПрП, введенная оператором в ломиконт, равно как и информация о текущем состоянии процесса управления, сохраняется при отключении питания. Ломиконт – проектно-компонуемое изделие. Он содержит базовый комплект аппаратуры, поставляемый всегда, независимо от конкретной решаемой задачи, и проектно-компонуемый комплект, зависящий в основном от требуемого числа каналов ввода-вывода информации и определяемый при заказе потребителем. Выпускаются четыре модели ломиконтов, различающиеся числом каналов ввода-вывода (от 60 – 90 до 300 – 900) и соответственно числом каркасов, а также наличием или отсутствием дублирования, повышающего надежность работы ломиконтов. Области применения. Ломиконт может решать широкий спектр задач управления, которые решаются с помощью традиционной релейной аппаратуры и аналоговых приборов автоматического регулирования. Кроме того, ломиконт, имея дискретные, аналоговые и импульсные входы, дискретные, аналоговые и импульсные выходы, таймеры, счетчик и библиотеку алгоритмов, может решать сложные многозвенные задачи управления, формировать сигналы, изменяющиеся по заданной программе в функции времени, параметров и логических условий, решать задачи автоматического регулирования (импульсного и аналогового), выводить информацию на дисплей и печатающее устройство, обмениваться информацией по интерфейсным каналам на расстоянии до 4000 м с ЭВМ и другими ломиконтами. Ломиконт можно использовать для автоматизации как простых, так и сложных процессов, например процессов пуска и останова комплекта оборудования, когда приходится решать задачи управления с автоматическим переключением управляющей структуры, с автоматическим изменением заданий и параметров настройки, с адаптацией системы управления к изменяющейся логике и динамике технологического процесса. Ломиконт особенно эффективен в тех случаях, когда имеется вероятность изменения и дополнения системы управления после начального периода ее эксплуатации. Ломиконт позволяет легко справиться с такой ситуацией и непосредственно на объекте быстро скорректировать структуру и параметры системы управления. Ломиконт или систему ломиконтов целесообразно применять как в качестве законченной системы управления, решающей задачи логического

управления, регулирования и представления информации, так и в качестве нижнего уровня распределенных АСУ ТП. Наличие одиночных и дублированных моделей, а также моделей, рассчитанных на разное число каналов ввода-вывода информации, позволяет на основе ломиконтов строить системы с различными требованиями к надежности и живучести*, получая в каждом конкретном случае максимальный техникоэкономический эффект. Объекты с небольшим объемом автоматизации могут управляться одним ломиконтом. Большие системы могут включать в себя несколько или даже несколько десятков автономных либо обменивающихся между собой информацией ломиконтов, каждый из которых обслуживает одну зону или участок технологического процесса. Ломиконт рассчитан на следующие уровни эксплуатации: Напряжение питания, В …………….……………………………………220 или 240 Частота питающей сети, Гц………………...……………………………….50 или 60 Потребляющая мощность на один каркас не более, ВА…………………………250 Температура окружающей среда, 0С…..………………………………….от 0 до +50 Относительная влажность воздуха, %.......................................................................80 Помещение………………………………..……………закрытое, взрывобезопасное

Модели ломиконтов. Выпускаются четыре модели ломиконтов: Л110, Л-112, Л-120, Л-122. Все модели имеют идентичные функциональные возможности, но различное количество каналов ввода-вывода информации и различные показатели надежности работы. Ломиконты Л-110, Л-112 рассчитаны на большое и среднее число входных-выходных сигналов, ломиконты Л-120, Л-122 - на малое и среднее число сигналов. Модель Л-110 - одиночный ломиконт и модель Л-112 дублированный ломиконт рассчитаны на 50-800 входных-выходных сигналов; модель Л-120 - одиночный ломиконт и модель Л-122 дублированный лоимиконт рассчитаны на число входных-выходных сигналов, не превышающих 90. Отличие ломиконтов от микроЭВМ и других свободно программируемых устройств. Универсальные микроЭВМ и другие свободно программируемые устройства программируются на языке Ассемблере или одном из языков высокого уровня. Для разработки программ и их отладки требуются программисты высокой квалификации. Ломиконты Л-110, Л-112, Л-120, Л-122 поставляются с заводаизготовителя полностью готовыми к работе и могут программироваться непосредственно на объекте персоналом, от которого не требуется знаний в области вычислительной техники и программирования для ЭВМ. Сходство и отличие ломиконтов от регулирующих микропроцессорных контроллеров ремиконтов. Ломиконты Л-110, Л-

112, Л-120, Л-122 являются устройствами регулирующие микро_______________________

того же класса, что и

*Надежность - способность системы непрерывно и в полном объеме выполнять требуемые функции. Живучесть - способность системы при отдельных отказах временно, при возможном вмешательстве оператора, выполнять свои функции в частичном объеме, достаточном для обеспечения безопасности и сохранения непрерывности технологического процесса. Модели Ломиконтов Л-112 и Л122 имеют значительно более высокую надежность работы, чем модели Л-110, Л-120.

процессорные контроллеры ремиконты Р-110, Р-112, Р-120, Р-122. Ломиконты и ремиконты построены на одной элементной базе, имеют аналогичную физическую структуру, в основном общий состав, конструктивные элементы и исполнения, компоновку моделей контроллеров. В частности, модули одинакового наименования в ломиконтах и ремиконтах являются взаимозаменяемыми [исключение составляют физически идентичные модули ПЗУ2, в которые записано различное программное обеспечение (ПО)]. Отличия контроллеров обусловлены главным образом их ориентацией на разные классы задач в распределенных АСУ ТП. Ремиконты предназначены в основном для построения систем регулирования, а ломиконты предназначены для построения систем автоматического управления. Поэтому контроллеры имеют различную «пользовательскую архитектуру», используют разные методы технологического программирования и, как следствие, разные физические средства работы оператора с контроллерами – пульт ломиконта и панель оператора ремиконта. Центральным понятием ремиконта является алгоритмический блок (алгоблок). Функциональная структура ремиконта представляет собой набор соединенных алгоблоков. ПрП ломиконта задается на технологическом языке «Микроле», описывающем различные действия над технологическими переменными, и представляет собой набор программированных блоков, состоящих из секций. Ломиконты по сравнению с ремиконтами имеют более широкие функциональные возможности, в частности по таким параметрам, как количество входов-выходов (в моделях 110, 112), объем технологической программы, быстродействие. Кроме того, в ломиконтах реализованы две количественно новые функции: вывод технологической информации по цифровым каналам на устройства отображения и документирования информации (дисплеи, печатающие устройства) и возможность построения Л-сети локальной сети ломиконтов, обменивающихся цифровой информацией. Основные технические характеристики Число входов: дискретных…………………………………………………………...……….до 512

аналоговых……...………….…………………………………...…………….до 128 импульсных…………………………………………………...…………………до 8 Число выходов: дискретных…………………………………………………………...……….до 256 аналоговых………………………..…………………………………...……….до 64 импульсных………….………………………………………………...……….до 32 Входные импульсные сигналы – напряжение постоянного тока любой полярности: логический «0», В………………………….………………………………...0…2,4 логическая «1», В………………….…….………………………………..9,6…28,8 потребляемый ток, мА………………………….…………………………...10…15 максимальная частота, кГц………………………….…………………………...50 Выходные дискретные и импульсные сигналы – напряжение постоянного тока 0 или 24 В или состояние транзисторных ключей, коммутирующих цепи постоянного тока определенной полярности: логический «0» ………………………….……………………………разомкнутое логическая «1» ………………………….……………………………….замкнутое Входные и выходные аналоговые сигналы постоянного тока: 0-10 В, 0-5, 0-20, 4-20 мА.

Входные и выходные сигналы постоянного тока 0-5, 0-20, 4-20 мА имеют гальваническое разделение входов друг от друга, выходов друг от друга, выходов от входов, входов-выходов от общей шины (ОШ) ломиконта. Входные и выходные аналоговые сигналы постоянного тока 010 В гальванического разделения не имеют. Ломиконт имеет связь с другими ломиконтами и ЭВМ, а также выход на дисплей и печатающее устройство по стандартным радиальным интерфейсам - последовательному ИРПС и параллельному ИРПР. Напряжение питания, В..............................................................................220 или 240 Частота питающей сети, Гц...........................................................................50 или 60 Потребляемая мощность на один каркас, ВА.........................................не более 250 Температура окружающей среды, °С................................................................ 0...+50 Температура окружающей среды для пульта ломиконта, °С......................... 0...+40 Относительная влажность воздуха, %.......................................................не более 80 Помещение......................................................................закрытое, взрывобезопасное

Функциональные характеристики Объем ПрП, Кбайт.................................................................................................до 16 Число тайлеров с дискретностью 1с..........................................................................32 Диапазон таймера с дискретностью 1с...................................................от 1 с до 24 ч Число таймеров с дискретностью 100 мс..................................................................32 Диапазон таймера с дискретностью 100 мс........................................от 100 мс до 1ч

Состав и конструкция ломиконта Перечень и назначение основных элементов. Ломиконт содержит следующие основные элементы (рис. 2.23). 1. Микропроцессорный вычислитель (MB). В состав MB входят модули: ПРЦ5 – модуль процессора; ПЗУ2 – модуль постоянного запоминающего устройства (ЗУ); ОЗУ4 – модуль оперативного ЗУ. Модуль ПРЦ5 предназначен для обработки информации в соответствии с ПО ломиконта. Модуль ПРЦ5 построен на базе микропроцессора КР580ИК80, других микросхем серий КР580 и К155. В ПЗУ2 содержится системное ПО контроллера объемом 32 Кбайт, включающее программу-диспетчер, организующую всю работу контроллера, программы опроса входных модулей УСО и выдачи выходных сигналов, библиотеку алгоритмов, программу-интерпретатор, выполняющую обработку информации в соответствии с ПрП, программы обмена цифровой информацией с пультом и другими внешними устройствами, программы самоконтроля и самодиагностики, программы тестирования и т.д. Модуль ОЗУ4 емкостью 8 Кбайт, используемый в MB, называется системной памятью ломиконта. В модуле хранится оперативная информация о текущих значениях входов, выходов, таймеров, счетчиков, буфера для обмена с внешними устройствами, служебная информация и оперативная информация, необходимая для работы системного ПО ломиконта.

Рис. 2.23. Физическая структура ломиконта: 1–микропроцессорный вычислитель; 2– память программы пользователя; 3–средства оперативного управления; 4–устройство питания и переключения; 5–модули цифровой связи; 6–устройства связи с объектом (УСО); 7–каркас и внутренняя магистраль, а также облучатель ультрафиолетовый и конструктивные элементы

Для использования в качестве системной памяти ломиконта модуль ОЗУ4 с помощью перемычек под пайку, находящихся на модуле, должен быть настроен на определенный адрес. Модуль ОЗУ4 системной памяти ломиконта будем называть в дальнейшем ОЗУ4.7. Для повышения надежности допускается резервирование, т.е. установка двух модулей ОЗУ4.7 («основного» и «резервного»). При отключении сетевого питания информация в модуле ОЗУ4.7 сохраняется на батарейном питании (БСЭл). 2. Память программы пользователя (ПрП). Для хранения ПрП используются: ОЗУ4, МПП – модуль программируемой памяти с вставленными в него микромодулем перепрограммируемого запоминающего устройства (ППЗУ). Для хранения ПрП при вводе и на этапе отладки используется один или два модуля ОЗУ4, настроенные с помощью перемычек под пайку на определенные адреса. Эти модули в дальнейшем будем называть: ОЗУ4.4 –

основной оперативной памятью оперативной памятью ПрП.

ПрП;

ОЗУ4.5

–

дополнительной

3. Устройства связи с объектом. К устройствам связи с объектом относятся модули: дискретноцифрового преобразования; ЦДП2 – цифро-дискретного преобразования; АЦП2 – аналого-цифрового преобразования; ЦАП2 – цифроаналогового преобразования; ИЦП2 – импульсно-цифрового преобразования; ЦИП2 – цифроимпульсного преобразования; РГ12 – гальванического разделения входной; РГ22 – гальванического разделения выходной. Модуль ЦИП2 применяется главным образом для управления исполнительными механизмами постоянной скорости в АСР. Каждый импульсный выход представляет собой два транзисторных ключа, имеющих смысл «больше» и «меньше», контакты управляются в соответствии с результатом широтно-импульсной модуляции сигнала управления, получаемого на выходе алгоритма импульсного регулирования. ЦИП2 обслуживает 8 импульсных выходов. Модули ДЦП2, ЦДП2, ИЦП2 ЦИП2 содержат узлы гальванической развязки, а модули АЦП2 и ЦАП2 такой развязки не содержат. Каждый из модулей РГ12 и РГ22 осуществляет гальваническую развязку по восьми каналам. Для индикации состояния входных и выходных дискретных и импульсных сигналов служит сервисное устройство – индикатор дискретных сигналов. 4. Модули цифровой связи. К ним относятся: МИС2 – модуль интерфейсной связи; МИП – модуль интерфейсный параллельный; МСК – модуль связи каркасов. МИС2 может осуществлять одновременно связь по четырем двухсторонним каналам ИРПС (интерфейс радиальный последовательный стандартный). Его можно использовать для связи с другими ломиконтами и ЭВМ, для вывода технологических сообщений на дисплей для цифровой связи при дублировании в моделях Л-112 и Л-122. Модуль МИС2 можно использовать вместо модуля МУС2 для связи с пультом ломиконта. Модуль МИП используется главным образом для вывода технических сообщений на печатающее устройство по интерфейсу ИРПР. На модуле МИП расположен один двухсторонний канал ИРПР. Связь дополнительного каркаса с каркасом, в котором находится вычислитель, осуществляется с помощью модуля МСК. Габариты каркаса – 520x280x207 мм. 5.

Средства оперативного управления.

К ним относятся: МПВП – пульт ломиконта, МУС2 – модуль управления и сигнализации. Переносной микропроцессорный пульт ломиконта является основным средством для работы оператора с ломиконтом и предназначен для ввода и отладки ПрП, настройки контроллера, наладки системы управления на базе ломиконта и для оперативного управления процессом. Пульт имеет специализированную клавиатуру, расположенную на передней откидывающейся крышке (рис. 2.24), экран и источник звукового сигнала. Потребляемая мощность – 80 В А, масса – не более 14 кг. Габаритные размеры пульта показаны на рис. 2.24. Модуль МУС2 выполняет ряд функций, связанных с системой самодиагностики ломиконта, а также используется для останова процессора, для запуска теста оперативной системной памяти в дублированных моделях контроллера. Модуль МУС2 используется главным образом для связи с пультом ломиконта, а также имеет два дискретных выхода: «Отказ» и «Ошибка», на которых формируется обобщенная информация о неисправностях, обнаруживаемых системой самодиагностики ломиконта. Система самодиагностики сигнализирует о неисправности также с помощью индикаторов, расположенных на лицевой панели модуля МУС2. 6. Устройства питания и переключения. К ним относятся блоки: БПС-5 - блок питания стабилизирующий; БНП-24 - блок преобразователя напряжения; БПР-5 - блок переключения резерва; БСЭл - батарея сухих элементов. 7. Конструктивные элементы. К ним относятся: шкаф компоновочный напольный, шкаф компоновочный настенный и кожух, в которых располагаются каркасы с модулями, блоки питания БПС-5, батареи сухих элементов БСЭл, вентиляторы, панели клеммных колодок (КК), клеммно-модульные и межмодульные соединители и другие элементы. Габаритные и установочные размеры: шкафов настенных 400x800x940 мм; шкафов напольных - 600x800x1950 мм. Масса шкафа напольного - не более 250 кг, шкафа настенного - не более 110 кг, кожуха - не более 27 кг. Вид А

Рис. 2.24. Габаритные размеры пульта ломиконта

8. Базовая и проектно-компонуемая части ломиконта. Ломиконт является проектно-компонуемым изделием. Каждая модель ломиконта состоит из базовой и проектно-компонуемой частей. Элементы базовой части образуют тот минимум, без которого невозможна работа данной модели ломиконта. В проектно-компонуемую часть входят элементы, необходимость использования которых в составе ломиконта зависит от конкретной задачи управления объектом. Наличие этих элементов в составе ломиконта определяется потребителем при заказе ломиконта. Проектная компоновка позволяет оптимально использовать посадочные места в каркасе и минимизировать стоимость ломиконта для каждой конкретной задачи. Пример состава проектно-компонуемого варианта ломиконта Л-110 представлен на рис. 2.25. 9. Исполнения ломиконта. Ломиконт изготавливается в двух климатических исполнениях (обыкновенном УХЛ.2 и общеклиматическом 04.2) и рассчитан на напряжение питания 220 и 240 В, частоту 50 и 60 Гц. При этом для каркасного, приборного (в кожухе), настенного вариантов исполнения к наименованию модели ломиконта добавляется буква К, П или Н, например ломиконт Л-122К.

Рис. 2.25. Компоновка ломиконта Л-110

Вопросы системного применения Принцип распределенного управления. На базе аналоговых приборов и средств релейной автоматики строились системы децентрализованного управления. Каждый прибор в такой системе выполнял одну, реже две-три функции. Преимущество децентрализованной системы - высокая живучесть управления: при отказе одного прибора оператор переходит на ручной режим и ход технологического процесса не прекращается. Однако аналоговые децентрализованные системы управления сложными технологическими процессами громоздки, дороги, малонадежны, консервативны в отношении модернизации и развития АСУ ТП. На базе ЭВМ строились системы централизованного управления. В таких системах можно реализовать достаточно сложные алгоритмы управления, однако живучесть централизованных систем в большинстве случаев неудовлетворительна из-за возможности отказа центральной ЭВМ. Кроме того, при использовании ЭВМ возникают сложные проблемы программирования, что значительно удлиняет срок ввода системы в эксплуатацию.

Применение ломиконтов Л-110, Л-112, Л-120, Л-122 наряду с другими микропроцессорными контроллерами (например, ремиконтами и диалоговыми дисплейными контроллерами - димиконтами Д-110) позволяет строить распределенные системы управления технологическими процессами. Концепция распределенного управления базируется на трех основных принципах: 1. Задачи управления делятся между специализированными микропроцессорными контроллерами, каждый из которых обслуживает сравнительно автономную зону технологического процесса. 2. Представление информации иерархически централизуется (по агрегату, цеху, предприятию); информация по преимуществу представляется на экранах дисплеев в наглядной, компактной и быстрой обзорной форме. 3. Для связи технологических средств между собой используется цифровая сеть, информация в которой передается в последовательной форме. Распределенное управление сочетает преимущества традиционной децентрализованной системы, главным образом высокую живучесть, с преимуществами централизованной системы, базирующейся на ЭВМ, широкими алгоритмическими возможностями и гибкостью управления. Ломиконты в распределенной системе в основном решают задачи логико-программного управления и регулирования, которые могут дополняться относительно несложными задачами отображения и регистрации технологической информации. Распределение задач между ломиконтами. Многие САУ могут быть построены на базе одного ломиконта. Однако для построения сложных СУ необходимо использовать несколько контроллеров, автономных или объединенных в Л-сеть. При выборе числа ломиконтов и распределения задач между ними необходимо руководствоваться следующими соображениями: · Каждая выделенная зона технологического процесса, обслуживаемая одним ломиконтом, должна обладать максимально возможной автономией. · Должна быть обеспечена живучесть системы. · Должна быть обеспечена требуемая надежность системы. Основным средством повышения надежности является применение дублированных моделей ломиконтов. · Необходимо провести экспертную оценку возможности каждого ломиконта по числу входных и выходных сигналов и требуемому количеству модулей. · Следует также оценить достаточность алгоритмической и информационной мощности ломиконта для решаемой задачи.

Выбор модели ломиконта. Ломиконты моделей Л-110 и Л-112 имеют одинаковое число цепей ввода вывода, ориентировочно 50-300. Модели Л-120, Л-122 имеют 15–90 цепей ввода-вывода. Ломиконты Л-110, Л-120 являются одиночными, а Л-112, Л-122 - дублированными моделями, имеющими надежность значительно выше и вдвое большие габаритные размеры и стоимость. Алгоритмические возможности всех четырех моделей одинаковы: объем программы пользователя, состав библиотеки алгоритмов и число интерфейсных каналов - общие для всех моделей. Если задача требует большого числа входов-выходов, а требования к надежности и живучести АСУ ТП умеренные, следует применять модель Л-110, а если дополнительно требуется повышенная надежность и живучесть, следует применять модель Л-112. Связь с датчиками и исполнительными устройствами. К ломиконтам могут подключаться любые датчики с унифицированным токовым сигналом, а также датчики типов «Сапфир-22», «Сапфир-300». Датчики с естественным сигналом (термопары, термометры сопротивления, дифференциально-трансформаторные датчики) подключаются к ломиконту через нормирующие преобразователи. В новых сериях ломиконтов предусматривается создание блоков сопряжения термометров сопротивления и термопар с ломиконтом. Поступающие на вход ломиконтов аналоговые сигналы с помощью АЦП преобразуются в цифровую форму (см. рис. 2.13). Импульсные выходы ломиконтов управляют электрическими ИМ постоянной скорости. Между выходными цепями и механизмами включаются стандартные блоки ручного управления и пускатели. Дискретные выходы ломиконтов могут управлять, в частности, электромагнитными клапанами. Ломиконты имеют специальный дискретный выход «Отказ», к которому могут подключаться индикаторы, звуковые сирены или блоки переключения, например блок БПР-5, входящий в комплект ломиконтов. Организация оперативного управления. Возможны следующие варианты организации оперативного управления: с помощью пульта оператора ломиконта, традиционных средств, диалогового дисплейного микропроцессорного контроллера димиконта Д-110 и дисплейного пульта оператора, построенного на базе универсальной микроЭВМ. Пульт оператора ломиконта позволяет просто и эффективно решать задачу оперативного управления. Пульт связан с ломиконтом цифровым каналом с интерфейсом ИРПС, допускается удаление пульта от контроллера на расстояние до 1000 м, а также возможность с одного пульта управлять несколькими ломиконтами. Но пульт не может использоваться при отказе контроллера. Применение димиконта Д-110

значительно повышает возможности отображения информации и оперативного управления.

технологической

Построение Л-сетей локальных вычислительных сетей ломиконтов. Два ломиконта могут быть связаны цифровым каналом с интерфейсом ИРПС или ИРПР, причем в такой связке один контроллер является инициатором связи (активным устройством), а другой абонентом (пассивным устройством). Ломиконт может быть связан с двумя контроллерами как инициатор и еще с двумя - как абонент. Л-сеть может быть как одноуровневой (например, кольцо ломиконтов), так и разветвленной иерархической. Возможность построения Л-сети позволяет во многих случаях обойтись без применения ЭВМ верхнего уровня и тем самым повысить надежность и снизить стоимость системы управления. Ломиконт может быть включен в кольцо малых регулирующих контроллеров Р-130. Такая возможность позволит решать следующие задачи: использовать ломиконт в качестве устройства верхнего уровня по отношению к кольцу ремиконтов Р-130, заменяющего в относительно простых системах ЭВМ; организовать передачу цифровой информации из кольца ремиконта Р-130 через ломиконт в дисплейный контроллер димиконт Д-110 (прямую цифровую связь димиконта с кольцом ремиконтов Р-130 реализовать нельзя) и др. Организация ввода-вывода аналоговой и дискретной информации. Для аналогового ввода информации предусматривается два модуля: модуль аналого-цифрового преобразования АЦП2 и модуль гальванического разделения входной РГ12. Модуль АЦП2 преобразует в цифровую форму 16 входных сигналов, поданных в виде постоянного напряжения - 10...+10В, отсчитываемого от общей точки. Модуль содержит один аналого-цифровой преобразователь и 16-канальный мультиплексор для поочередной работы с каналами. Ломиконты рассчитаны на число аналоговых входов до 128, т.е. на установку до восьми плат АЦП2. Рекомендуется соединять выход РГ12 с соответствующим входом модуля АЦП2 с помощью ММС. Для аналогового выхода информации предусматривается два модуля: модуль цифроаналогового преобразования ЦАП-2 и модуль гальванического разделения выходной РГ22. Модуль ЦАП2 преобразует восемь выходов из цифровой формы в аналоговую в виде постоянного напряжения от -10 до +10 В относительно «общей точки». Ломиконт рассчитан на 64 аналоговых входа, т.е. на установку до восьми плат ЦАП2. Модуль РГ22 содержит восемь каналов гальванического разделения сигналов постоянного напряжения от 0 до 10 В. Напряжение с выхода

ЦАП2 подается на вход РГ22. Соединение выполняется аналогично связи АЦП2 и РГ12.

Контроль и диагностика неисправностей Виды контроля и диагностики. Ломиконт оснащен обширными средствами контроля и непосредственно связанными с ним средствами диагностики неисправностей. Средства контроля обнаруживают факт неисправности, а средства диагностики позволяют локализовать неисправность с точностью до модуля и, в отдельных случаях, до микросхемы. В ломиконте и его пульте предусмотрены два вида контроля и диагностики: постоянная самодиагностика и тестирование. Кроме постоянной самодиагностики и тестирования предусмотрена возможность информационного контроля параметров системы управления путем вывода информации на пульт ломиконта. Постоянная самодиагностика проводится в процессе работы ломиконта и пульта. При этом участия оператора не требуется. В Ломиконте используются три вида постоянной самодиагностики: аппаратная, программная и алгоритмическая. В пульте используется программная самодиагностика. Модернизированный контроллер ломиконт ТМ. Начиная с 1999 г. специалистами Чебоксарского завода ОАО «Электроприбор» была начата работа по модернизации промышленных контроллеров серии «Ломиконт». Этой работе предшествовало обследование крупных предприятий-потребителей этих контроллеров. Обследование показало, что сегодня контроллеры ломиконт во многих случаях не отвечают современным требованиям АСУ, прежде всего из-за недостаточного быстродействия и ограниченного объема памяти, предоставляемой для программ пользователя. Поэтому модернизация предусматривала прежде всего повышение производительности контроллеров и расширение объема памяти. Одновременно рядом проектных организаций в функции контроллера было предложено ввести: · скоростной обмен по сети Ethernet; · ОРС-сервер для выхода на SCADA-системы по выбору заказчика. Модернизация проводилась по пути создания еще одного типа базового, комплекта присутствующего в каждом контроллере. До модернизации базовый комплект ломиконта полной конфигурации состоял из 6-8 модулей (ПРЦ5, ПЗУ2, ОЗУ - 2-4 шт., МИС2, МУС2) и занимал в каркасе контроллера до восьми посадочных мест. В результате

модернизации новый базовый комплект стал занимать три посадочных места (модуль процессора - два места, модуль МУС2). Это позволило освободить до пяти посадочных мест для дополнительных модулей УСО и снизить энергопотребление. В остальном планировалось сохранить полную совместимость старого оборудования с новым. Однако проделанная в 2000 г. работа показала, что на базе старого ПО радикально повысить качественные характеристики контроллеров не удается. Новое направление работ, условно названное ломиконт ТМ, развернуто в сотрудничестве с московской фирмой «АдАстра», известной в качестве разработчика SCADA-системы «ТРЕЙС МОУД». За основу нового модуля процессора (базовый модуль PRC-TM) взят импортный одноплатный PC-совместимый компьютер WAFER-4823 на основе процессора i486, содержащий, помимо стандартного компьютерного оборудования, флеш-диск, порт RS-232/RS-422XRS-485, порты RS-232, Ethernet, VGA. Это позволило решить аппаратную часть проблемы обеспечения высокоскоростной связи между контроллерами и с верхним уровнем (Ethernet). Исчезло ограничение на предельный объём программы пользователя, так как объем памяти можно наращивать, и в 2...4 раза (в зависимости от конфигурации) повысилась производительность. Новый базовый модуль допускает установку его в имеющиеся у потребителей контроллеры ломиконт-110 без изменения схемы подключения к объекту. Программное обеспечение нового контроллера разработано специалистами фирмы «АдАстр» и включает в себя инструментальную систему и исполнительный модуль - микромонитор РВ (МикроМРВ). МикроМРВ может работать как с операторской станцией «ТРЕЙС МОУД 5», так и автономно и выполняет все функции резидентной программы ломиконта по вводу-выводу данных и непосредственному управлению процессом. Программирование задач пользователя осуществляется средствами инструментальной системы «TRACE MODE» на двух языках технологического программирования: • Техно-FBD - язык функциональных блоков, почти повторяющий технику программирования контроллеров «Ремиконт-110» и в такой же степени не требующий навыков компьютерного программирования. Язык основан на соединении в цепочки библиотечных функций и алгоритмов; • ТехноIL - язык последовательных инструкций. Может быть использован, например, в случае программирования на ТехноFBD и отсутствия в библиотеке «ТРЕЙС МОУД» необходимой функции или алгоритма. Эти языки являются расширениями языков FBD и IL, предусмотренными международным стандартом 1ЕС 61131-3.

2. 8. 2. Общее описание и классификация ПЛК 2. 8. 2. 1. Применение ПЛК в системах управления Вне зависимости от характеристик объекта управления, будь то отдельные агрегаты или многопрофильные производства, структура распределенной системы управления предполагает наличие уровня первичных средств автоматизации (интеллектуальных датчиков) и исполнительных устройств - так называемого нулевого или полевого уровня, уровня устройств связи с объектом (преобразователей аналоговых и дискретных сигналов ввода-вывода), первого уровня АСУ ТП, контроллерного уровня – второго уровня, диспетчерского уровня – третьего уровня и бизнес-уровня – четвертого уровня АСУ ТП. Для передачи измерительной и командной информации на нижнем уровне используются HART-протокол (токовая петля 4–20 мА), ASинтерфейс, RS232, RS485. Многие интеллектуальные датчики и исполнительные механизмы для передачи и приема информации в цифровом виде используют полевую шину (fieldbus), представляющую, как правило, двухпроводную линию связи (витая пара, оптоволокно) с одновременной передачей по шине питания и информационного сигнала. К числу таких промышленных сетей, объединяющих датчики, исполнительные механизмы, контроллеры и рабочие станции, относятся Foundation Fieldbus, Profibus DP и Interbus (по стандарту RS-485), DeviceNet (физическая среда 4-проводный кабель), Profibus РА и др. На верхнем уровне используются сети Ethernet, ArcNet, Token Ring и др. Сразу отметим одну из наметившихся тенденций – проникновение сетей Ethernet на нижний уровень, а Fast Ethernet – на верхний уровень. Следует сказать о некоторых предпочтениях выбора контроллеров по отношению к выбору промышленных компьютеров (ПК). Как известно, ПК позволяют сосредоточить функции управления и визуализации в одном месте, используя встраиваемые системы – платы УСО, памяти, коммуникационные модули и др., а SCADA-системы, требующие больших объемов памяти и недоступные ПЛК, легко реализуются на ПК. Промышленные компьютеры, выпускаемые рядом фирм (Advantech, Axioms, Portwell и др.), удовлетворяют самым жестким условиям эксплуатации – со степенью защиты лицевой панели IР65, диапазон рабочих температур от 0 до 50°С. Стандартные операционные системы (ОС) позволяют использовать инструментальные средства разработки прикладного программного обеспечения (ПО) различных фирм. Наличие коммуникационных портов ввода-вывода, механизма взаимодействия ОРС позволяет ПК взаимодействовать с любым оборудованием – от ПЛК до любых рабочих станций.

В то же время программируемые логические контроллеры по сетевым возможностям приближаются к ПК, их память Flash memory обладает достаточной емкостью для размещения небольших SCADAсистем. Примером может служить SCADA-система Trace Mode, размещенная в виде SoftPLC в памяти контроллеров «Лагуна», «Ломиконт», «Теконик» и АДЭМ. ПЛК обладают повышенной надежностью, высоким быстродействием (0,9 мкс и менее на базовую команду), малыми габаритами, возможностью «горячей» замены модулей (замена модулей без выключения питания) и др. К дополнительным возможностям относятся: наличие сторожевого таймера, самодиагностика, режим автонастройки параметров регулятора и др. Программирование контроллеров осуществляется в зависимости от задачи и типа контроллера на различных языках программирования по стандарту IЕС 61131-3. Широко применяется программный пакет ISaGRAF как интегрированный пакет разработки и отладки приложений для ПЛК и связи с ПО верхнего уровня, а также система Ultralogic для программирования контроллеров на языке FBD по стандарту IЕС 61131-3. Выбор типа контроллера для системы управления, руководствуясь критерием цена/производительность, определяется их особенностями. Это могут быть моноблочные, модульные или встраиваемые контроллеры. Среди основных характеристик - производительность, максимальное число каналов ввода-вывода переменных, коммуникационные возможности (наличие требуемых пользователю портов), надежность, удобство интерфейса, цена, область распространения и др. При оценке контроллеров немаловажное значение имеют отдельные его компоненты. Прежде всего в процессорном модуле - характеристики процессора, объем памяти, поддержка ОС, стандарт шины расширения, наличие сторожевого таймера, портов, поддержка определенных сетей, гальваническая изоляция, индикация состояния, рабочая температура, напряжение питания и др. [53,54,55,56]. Моноблочные контроллеры имеют встроенные каналы аналогового и дискретного ввода-вывода. Так, новый моноблочный контроллер Twido фирмы Schneider Electric имеет 24 входа/выхода с расширением до 88 каналов, моноблочный контроллер FРО фирмы Matsushita имеет 16 дискретных входов и 16 дискретных выходов, моноблочный контроллер Unitronics М90 Micro фирмы Klinkman имеет аналоговый вход и 16 дискретных входов/выходов и т.д. Модульные контроллеры имеют число модулей в корзине до 16, число модулей может быть увеличено за счёт плат расширения и добавления новых корзин. Модули ввода/вывода аналоговых сигналов отличаются количеством каналов, разрядностью АЦП и ЦАПов, диапазоном входных и выходных сигналов, быстродействием, точностью,

напряжением изоляции, защитой от перенапряжений, обнаружением (или нет) обрыва датчика, степенью ослабления помех, напряжением питания и др. Модули ввода-вывода дискретных сигналов также отличаются числом каналов, характеристиками входных и выходных сигналов, наличием релейных выходов типа «сухой контакт» (СК) или транзисторных выходов типа «открытый коллектор» (ОК), коммутируемыми напряжением и током, наличием сторожевого таймера, индикацией состояния и др. При анализе и выборе коммуникационных модулей промышленных сетей следует иметь в виду характеристики сетей - скорость и дальность передачи, число узловых станций, наличие питания по шине, топологию сети. Следует отметить, что наблюдается расширение применимости Internet-технологий, SNМР-протокола передачи данных, GSМтелемеханики (на базе сотового телефона, модема и SIМ-карты) [58]. К числу модулей специального назначения, которые могут потребоваться в проекте, относятся модули связи, вычислительные, логические и диагностические модули, модули часов реального времени и памяти, позиционирования, технического зрения, барьеров искробезопасности и др. Остановимся на тенденциях развития ПО для контроллеров и встраиваемых систем, промышленных и панельных компьютеров. Требования пользователя при выборе SCADA-системы заключаются в выявлении соответствия функциональных возможностей SCADA-системы требованиям проекта, характеристик инструментальной среды разработки БД, графического редактора (палитра, тренды, алармы), скриптового языка, а также характеристик исполнительской среды, т.е. платформы ПК, экрана, диагностики, защиты от несанкционированного доступа, резервирования и пр. Немаловажным является сопровождение проекта, обучение, полнота документации (наличие Неlp) и ее русификация. Развитие SCADA-систем идет по пути обязательного наличия интерфейса ОРС, применения языка VВА, расширения коммуникационных возможностей и функций на уровне операторских станций, повышения гибкости и открытости пакета, бесплатной среды разработки, модульности пакета, нормирования SCADA-системы в память контроллера. Таким образом, сближение технических характеристик ПК и ПЛК, удовлетворяющих требованиям единого стандарта IЕС 61131 и имеющих общий механизм взаимодействия программных средств в виде ОРСсервера, позволяет на базе ПЛК создавать оптимальные структуры РСУ. 2. 8. 2. 2. Моноблочные (компактные) контроллеры В зависимости от функциональных возможностей, технических характеристик и конструктивного исполнения контроллеры можно

условно подразделить на моноблочные или компактные, модульные и РСконтроллеры (РС-base, РС-совместимые контроллеры). Моноблочный контроллер представляет собой микропроцессорное устройство, в котором располагаются источник питания (не обязательно), центральный процессор (сопроцессоры), память, включающая память программ и память переменных (как правило, энергонезависимая), встроенный порт(ы) для выхода в сеть, фиксированное число каналов аналогового и(или) дискретного ввода/вывода, встроенный ПИД-регулятор с автонастройкой (необязательно), слот расширения для подключения дополнительных модулей, ЖК-дисплей (не обязательно), индикаторы состояния контроллера. Как правило, контроллеры устанавливаются на DIN-рейку, а соединения с другими модулями, например с модулем питания, модулем аналогового ввода, с помощью разъемов или проводников с наконечниками «под винт». Помимо этих общих характеристик контроллеры различаются набором встроенных функций, числом базовых команд, способом программирования и т.п. Для правильного выбора того или иного типа моноблочного контроллера рассмотрим отличительные характеристики наиболее распространенных в промышленной автоматизации моноблочных контроллеров, перечень которых приведен в табл. 2.4. Таблица 2.4 № п/п 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18

Моноблочные контроллеры Наименование контроллера Фирма-производитель FPO «Matsushita», Япония Direct logic «Koyo Electronucs», Япония Decont-182 «ДЭП», Россия Sysmac CPM 1A/2A «Omron», Япония TeleSafe, SmartWire, ScadaPack «Control Microsystems», Канада Simatic S7-200 «Siemens», Германия Simatic S7-300C «Siemens», Германия Simatic C7-620 «Siemens», Германия Versamax Nano, VersaMax «General Electric Fanuc»,США-Япония Micro Unitronics M90 Micro «Industrial Automation Systems», Израиль Unitronics Visiologik «Industrial Automation Systems», Израиль Modicon TSX Zelio «Schneider Electric», Франция Modicon TSX Twido «Schneider Electric», Франция FXIS, FXIN «Mitsubishi Electric», Япония Alpha «Mitsubishi Electric», Япония Pico «Rockwell Automation», США MicroLogix «Rockwell Automation», США MC8 «МЗТА», Россия

Контроллер FРО («Matsushita Automation Controls», Япония). Контроллер (рис. 2.26) представляет собой компактный модуль ЦПУ размером 25×90×60 мм. На лицевой панели модуля расположены разъемы дискретных входов и выходов с оптронной гальванической развязкой и светодиодными индикаторами состояния канала. Число дискретных входов – от 6 до 16, дискретных выходов – от 4 до 16 в зависимости от типа модуля (табл. 2.4). В нижней части панели находится ТООL-порт последовательный интерфейс для программирования с помощью пакета NAIS Control 1131 (связь с компьютером по RS232). Ряд модификаций модуля ЦПУ (FРО-С10RS, -С14RS, -С16СР, -С32СР и -Т32СР) на боковой стороне снабжены СОМ-портом, представляющим интерфейс RS232 общего назначения для связи с компьютером или удаленными модулями. Также имеются разъем питания модуля постоянным напряжением 24 В, переключатель RUN/PROG с индикаторами режимов. Данные входов контроллера: — гальваническая развязка: оптронная; — входное напряжение (номинал): 24 VDС; — допустимое входное напряжение: от 21,6 до 26,4 VDС; — входной ток: 4,3 мА при 24 VDС; — выходное сопротивление: 5,6 кОм. Данные релейных выходов контроллера: — Тип контакта: нормально открытый, 2А/250VАС, 2А/ЗОVDС.

Контроллер Decont-182 («ДЭП», Россия). Контроллер Decont-182 (рис. 2.26) составляет основу аппаратной части программно-технического комплекса «Деконт». В состав комплекса также входят модули ввода-вывода, отладочный пульт оператора (минипульт), программное обеспечение (DeSystem, WinDecont и др.). Комплекс «Деконт» обладает повышенной надежностью работы в условиях электромагнитных помех и работает в широком диапазоне тем- Рис. 2.26. Контроллер Decont-182 ператур от -40 до +70oС. Контроллер Decont-182 представляет собой базовый процессорный модуль с операционной системой реального времени (ОС РВ) и обеспечивает взаимодействие с модулями ввода-вывода, формирует алгоритмы, архивы, поддерживает связь с другими контроллерами через два встроенных интерфейса (RS232 и RS-485) и два сменных интерфейса (мезонина). Основные характеристики контроллера Decont-182

Базовый процессор – Zilog 80182 (30 МГц). Вспомогательный процессор (сопроцессор) - РIС16С73А. Емкость ПЗУ (на основе FLASH) - 512 кбайт. Емкость энергонезависимого ОЗУ - 512 кбайт. Число портов последовательной связи - 4 (порт «А» - RS232, порт «В» RS-485, порты «С» и «D» - универсальные). Часы реального времени. Сторожевой таймер. Питание: 24 В постоянного тока (до V6.1 от 22 В до 26 В. с V7.1 от 9 до 30 В). Потребляемый ток (без интерфейсных плат) - до 75 мА. Устанавливаемые в контроллере сменные интерфейсные платы: Z-RS-485 (два гальванически изолированных канала RS-485 со скоростью передачи до 460.8 Кбод). Z-RS232 (соответствует стандарту RS232 IBM РС). Z-АLТ (два гальванически изолированных канала «токовая петля» 20 мА со скоростью передачи до 38.4 Кбод). Платы-модемы для связи с линиями приема-передачи данных (по телефонным, силовым, двухпроводным линиям и радиомодем). Плата аналогового ввода Z-АIN6-120, устанавливаемая непосредственно в гнездо «С» или «В» контроллера. Плата имеет шесть универсальных каналов ввода-вывода, каждый из которых может работать в одном из трех режимов: ввод сигналов постоянного тока 0–20 мА или 4–20 мА (А1), дискретный ввод (D1) и дискретный вывод (D0). Модули ввода-вывода предназначены для подключения внешних цепей измерения, управления и сигнализации. Модули, выполненные в едином конструктиве, рассчитаны на непрерывную работу, имеют единое питание и единый сетевой интерфейс RS-485. Обмен данными (сетевыми параметрами) осуществляется по сети SYBUS. Основные параметры модуля хранятся в EЕРRОМ, за исключением таких параметров, как «адрес модуля в локальной сети» и «текущая скорость обмена в сети», которые задаются программно с мини-пульта. Модули дискретного ввода и вывода имеют светодиодные индикаторы состояния каналов. Размеры модуля – 106 × 120 (142-присоединительный размер)×50 мм. Технические характеристики модулей ввода-вывода приведены в табл. 2.5. Таблица 2.5 Тип модуля

Технические характеристики контроллера Dесоnt-182 Характеристика Входной Выходной сигнал Наличие модуля сигнал гальваническо й развязки

1

2

3

DIN 16-24 DIN 16-110 DIN 16-220 DIN 16C-24

16 каналов дискретного ввода

ДО 30 В До 200 В До 400 В Дополнительн о: ведение архива и счетчик импульсов (до 200 Гц)

4

5 Групповая изоляция

-

Групповая изоляция

Окончание табл. 2.5

1

2

DIN 16F-24

DOUT-R07

8 каналов релейного выхода

DOUT16T05

16 каналов транзисторного выхода

AIN8-120

8 каналов аналогового ввода

AIN8-U60

8 каналов подключения термопар

3 Дополнительн о: измерение частоты (до 200Гц) -

Входной сигнал 0…5 мА, 4…20 мА, 0…10 В Вход 0…60мВ для термопар ТХА, ТХК по ГОСТ Р50431

4

5

Коммутируемое напряжение: ~250 В, 5А Управление светодиодной индикацией: 5В, 10мА

Гальваноизо ляция каждого канала

-

Гальваноизо ляция каждого канала

-

Гальваноизо ляция каждого канала

Контроллер PS-416 («Moeller», Германия). Программируемые контроллеры фирмы Moeller работают в промышлен- ных сетях Profibus DР, CANopen, DeviceNet, Interbus и др. Контроллер PS-416 используется для решения сложных задач управления процессами. Контроллер PS-416 состоит из крейта (корзины) BGT-400, блока питания, процессорного модуля СРU-400, сетевых карт NЕТ-400 и карт входов-выходов INР-400 и OUТ-400. Крейт контроллера имеет несколько модификаций в зависимости от числа посадочных мест (9, 13 или 19). Процессорный модуль СРU-400 имеет объем основной памяти 1Мбайт, дополнительной памяти (Flash-карта) – 512Кбайт, 1, 2 или 4 Мбайта. Процессор – 10-разрядный МП с RISC-архитектурой. Время обработки базовой команды – 0,5 мкс. Интерфейс для программирования – RS232/RS-

485. Число подключаемых станций – 30. Для индикации состояния модуля служат 5 светодиодов: Run (работа), Ready(готов), Not Ready (не готов), Error (ошибка), Change (замена батареи). Управляющие программы могут храниться в ОЗУ или в EEPROM (в энергонезависимой карте Flash Memory Card). Сетевая карта NЕТ-400 по интерфейсу RS-485 обеспечивает скорость передачи 187,5 кбит/с на расстояние 600 м. Число подключаемых станций – 30. Данные модулей дискретного и аналогового вводов-выводов приведены в табл. 2.6. Таблица 2.6 Характеристики модулей контроллера РS-416 Аналогов. Дискр. вход Дискр. выход Модуль вход-выход INP-400 OUT-400 расширения EM4-101-AA2 дискр. входа EM4-201-DX2

Тип модуля

Число входных сигналов Номинальное напряжение Уровень сигнала «0» Уровень сигнала «1» Число входных сигналов Индикаторы состояния входов-выходов

16

–

16

8

24 VDC

24 VDC

+24 VDC

0…10 V

-3…+5 V

+2,5 V

–

–

+15…+30,2 V

+23,4 V

–

–

–

16

–

4

+

+

+

+

Для программирования контроллера РS-416 используется система SUCOSOFTS40, которая функционирует в среде Windows и имеет стандарт соответствия IЕС 1131. Языки программирования соответствуют стандарту IЕС 61131-3 и включают FBD, LD и IL. Контроллер Р-130 (ПО «Промприбор», Россия). Контроллер (рис. 2.27) имеет проектную компоновку – тип и число модулей в зависимости от каналов ввода-вывода выбирает пользователь. Отличительные особенности контроллера: — компактность, небольшой вес; Рис. 2.27. Контроллер Р-130 — возможность размещения блоков контроллера в любом месте, что уменьшает длину линий связи;

— большой набор функций обработки сигналов, управления и сигнализации; — индикация параметров на дисплее на лицевой панели и др. Технические характеристики контроллера Р-130 — процессор КР1821ВМ85А (8-разрядное параллельное устройство); — объем памяти: ПЗУ - 32 кбайта; ОЗУ - 8 кбайт; ППЗУ - 8 кбайт; — текущее время (таймеры, программные задатчики и т.д.), постоянные времени, интервалы 0 до 819 с и от 0 до 819 ч. — время цикла - от 0,2 до 2 с; — количество алгоблоков - 99; — количество алгоритмов в библиотеке - 76; — скорость обмена абонентского канала шлюза по интерфейсной связи ИРПС или RS232 - 1,2; 2,4; 4,8; 9,6 кбит/с. По интерфейсному входу-выходу контроллеры могут объединяться в локальную управляющую сеть «Транзит». Топология сети – «кольцо». Сеть «Транзит» с помощью блока шлюза БШ-1 может взаимодействовать с любым внешним абонентом либо со средствами верхнего уровня. Контроллер состоит из набора блоков, представленных в табл. 2.7. Таблица 2.7 Наименован ие блока Блок контроллера БК-1

Блоки контроллера Р-130 Характеристики блока

Габаритные размеры, мм Модели: 01 (индикация аналогового 160х80х365 сигнала, резервирование), 02 (светодиоды, резервирование), 00 (дискретный ввод), 05 (аналоговый выход токовый) Блоки БП-1 для питания блока БК-1 от сети; 133х100х137 питания БП-4 для питания входных-выходных цепей (4 нестабилизир. источника напряжения 24В) БУТ-10: тип термопары или ЭДС из 146х120х40 Блоки ряда 2, 4, 6, 8, 10…40 мВ или 1, 2, 5, 10, усилителей сигналов от 15, 25, 40, 60, 80, 100 мВ. БУС-10: термопар и значение (Ом) из ряда 10, 20, 25, 50, 75, и100, 150, Ом или 2.5, 5, 10, 15, 20, 30, 50, термометров 100, 200, Ом сопротивления БУМ-10 служит для усиления 146х133х40 Блок коммутируемой мощности выходных усилителя ключей 220В, 2А мощности Блок шлюза

БШ-1: тип интерфейса ИРПС, «Р» – для RS 232

«И»

для 160х80х365

Масса, кг 3,0

1,8

0,6

0,7

3,0

Блок переключения резерва Пульт настройки

БПР-10 служит для переключения 130х133х40 выходных цепей при резервировании блока БК-1 ПН-1

81х168х36

0,6

0,35

В процессе сбора и обработки сигналов от датчиков возможна их коррекция (линеаризация, фильтрация, арифметические операции, в том числе извлечение квадратного корня). Входные сигналы: сигналы от термопар ТХК, ТХА, ТПП, ТПР и ТВР; сигналы от термометров сопротивления ТОМ и ТСП: унифицированные аналоговые сигналы постоянного тока 0-5, 0-20, 4-20 мА, 0-10 В; дискретные сигналы (логическая «1» – напряжение от 19 до 32 В, логический «0» – от 0 до 7 В). Выходные сигналы: унифицированные аналоговые сигналы постоянного тока 0–5, 0–20, 4–20 мА; дискретные сигналы (транзисторный выход – напряжение коммутации 40 В, ток нагрузки 0,3 А; релейный выход –напряжение коммутации 220В, ток нагрузки 2А). В контроллер устанавливаются два любых сменных модуля вводавывода, выбираемые из табл. 2.8. Таблица 2.8 Характеристики модулей ввода/вывода контроллера Р-130 Тип модуля Количество входных-выходных сигналов Наименование Код аналоговых дискретных модуля УСО Вход Выход Вход Выход 1 8 2 МАС (аналоговых сигналов) МДА (дискретно-аналоговых) 2 8 4 МСД (сигналов дискретных) 3 16 МСД (сигналов дискретных) 4 4 12 МСД (сигналов дискретных) 5 8 8 МСД (сигналов дискретных) 6 12 4 МСД (сигналов дискретных) 7 16 -

Потребляемая мощность контроллера – 15 ВА. Напряжение питания – 220 VАС и 24 VDС (при отсутствии блока БП-1). Контроллеры серии КОНТРАСТ (ЗАО «ВОЛМАГ», Россия). Контроллеры серии КОНТРАСТ построены на базе конструктивов и модулей УСО контроллера Р-130, но обладают большей надежностью, расширенными функциональными возможностями, высокой скоростью обработки информации и передачи ее по внешним интерфейсам, возможностью увеличения числа входов-выходов за счет подключения

блоков расширения УСО (рис. 2.28). В состав серии КОНТРАСТ входят три типа контроллеров: РК-131/300, КР-300,-310. Контроллеры построены по единой идеологии и различаются характеристиками (числом входоввыходов, объемом памяти, производительностью и др.). Модель РК-131 300 относится к классу мини – контроллеров и предназначена для автоматизации небольших объектов. В модели используются модули УСО контроллера Р-130. Контроллер имеет до 48 гальванически изолированных аналоговых входов, до 12 аналоговых выходов, до 96 дискретных входов-выходов. Модель КР-300 относится к контроллерам среднего класса с большим числом входов-выходов. Помимо модулей УСО Р-130 в состав контроллера входит встроенный пульт оператора. С учетом модулей УСО контроллер имеет до 190 гальванически изолированных аналоговых входов-выходов, до 304 дискретных входов-выходов. Модель КР-310 по классу аналогична предыдущей модели, но обладает архитектурой, ориентированной на построение высоконадежных структур, в частности на реализацию функций систем зашиты.

Рис. 2.28. Контроллер серии КОНТРАСТ

Контроллеры являются проектно-компонуемыми изделиями. В состав каждой модели входят: блок контроллера с процессором и встроенным пультом оператора, УСО, блоки расширения УСО (БУСО), блоки питания,

усилители сигналов термопар и термосопротивлений, преобразователи интерфейсов RS232/RS-485 и др. (табл. 2.9). Таблица 2.9 Комплектация контроллеров КОНТРАСТ Наименование

Обозначение

Состав

1

2

3

Модели РК-131/300 и КР-300 Контроллер РК-131/300

РК-131/300

БК-131/300, один БУСО

Контроллер КР-300

КР-300

Продолжение БК- 300, до 4-х БУСОтабл. 2.9

1

2

3

Блок контроллера БК-131/300

БК-131/300

ПРЦ-131/300, 2 модуля УСО

Блок контроллера БК-300

БК-300

ПРЦ-300, ПК, 3 модуля УСО

Блок расширения УСО

БУСО-300

Встроенные пульты

ПЛ, ПК

Модуль процессора

ПРЦ-31/300, ПРЦ-300

Модуль аналоговых сигналов Модуль аналоговых и дискретных сигналов Модуль дискретных сигналов

МАС МДА

МКП,

До 4-х модулей УСО Клавиатура (12 клавиш). Индикаторы цифровые (9, 12), светодиодные (19, 24), шкальный МП 80С386ЕХ, флэш-ПЗУ 0,5 Мбайт, ОЗУ 256 кбайт, флэш-диск 1 Мбайт, сторожевой таймер, один МКА, один ШК, РПО 8 AI, 2AO 8AI, 4DO, TK, 24 VDC

МСД 0/16

16DO, TK, 24 VDC

Модуль дискретных сигналов

МСД 4/12

4DI, 12DO, TK, 24 VDC

Модуль дискретных сигналов

МСД 8/8

8DI, 8DO, TK, 24 VDC

Модуль дискретных сигналов

МСД 12/4

12DI, 4DO, TK, 24 VDC

Модуль дискретных сигналов

МСД 16/0

16DI, TK, 24 VDC

Модуль унифицированных сигналов

вывода аналоговых МАВ-8(КР-300)

ПЛ,

8AO

Модель КР-300 Наименование

Обозначение

Контроллер

КР-310

Блок контроллера

БК-310

Состав БК-310, до 2-х БУСО ПРЦ-310, до 3-х модулей УСО

Блок расширения УСО

БУСО-310

Встроенный пульт ПК Модуль процессора ПРЦ-310

Адаптер БУСО

Интерфейс для подключения одного блока БУСО Продолжение табл. 2.9

АДБ 1

До 4-х модулей УСО Клавиатура (12 клавиш), индикаторы 2х6 цифровые, 3х8 светодиодные, 1х21 шкальный МП 80С386ЕХ, 80С387SX, флэш – ПЗУ 1 Мбайт, ОЗУ 512 кбайт, флэш-диск 1…4 Мбайта, сторожевой таймер, один МКА/МКС, два ШК, Cеntronics, РПО

2

Модуль сетевого процессора ПРС-310

3 МП 80C386EX, флэш-ПЗУ 0,5 Мбайт, ОЗУ 128 кбайт, один МКА/МКС, до 8-ми ПС

Модуль интерфейсных связей Модуль ввода унифицированных аналоговых сигналов и вывода дискретных сигналов Модуль вывода унифицированных аналоговых сигналов Модуль ввода дискретных сигналов

МИС МАД-12

МДС32

32DI, 24 VDC

Модуль ввода-вывода дискретных сигналов

МДС16/16ТК

16DI, 16DO, TK, 24 VDC

МДС16/16РК

16DI, 16DO, PK, 24 VDC

Модуль сигналов

МДС32ТК

32DO, TK, 24 VDC

вывода

дискретных

МАВ-8

Четыре RS2323C/ИРПС 12AI, 8DO, TK, 24VDC

8AO

МДС32РК 32DO, TK, 24 VDC Внешнее оборудование (все модели) БПШ БП сигналов БУТ-10 2 термопары

Блок питания БК Блок питания БУСО Блок усилителей термопар Блок усилителей термометров сопротивления Блок усилителей мощности

БУС-10 БУМ-10

2 термометра сопротивления 4DI, 4DO, PK, 24VDC, 220 VAC

Блок переключения

БПР-10

16DI, 8DO, PK, 24VDC

Конвертор 220VAC/ 24VDC

ПС1

8DI, 8DO, 24VDC, 220 VAC

Конвертор 24VDC/ 220VAC

ПС2

8DI, 8DO, 24VDC, 220 VAC

Конвертор RS232C/ RS-485

ПИ1

1 RS232C/ RS-485

Конвертор RS232C/ ИРПС

ПИ2

1RS232C/ ИРПС

МБ, КБС

-

АДС310

4×RS-485

Комплект межблочных и клеммно-модульных соединителей Интеллектуальный адаптер сети для ПЭВМ

Программное обеспечение Резидентное обеспечение процессора)

программное (флэш-ПЗУ

1 Программный «Интегрированная технического контроллеров»

пакет система обслуживания

РПО

Операционная система реального времени (ОС РВ), сетевое ПО, исполнительная система технологических программ Окончание табл. 2.9

2 ИСТОК

3 Система программирования на языке ФАБЛ – табличный и графический редакторы, компилятор, эмулятор, отладчик; система регистрации и графического отображения данных; интерактивная система управления и настройки контроллеров

Модуль ввода-вывода д.с. МДС16/16ТК 16DI, 16DO, TK, 24 VDC Условные обозначения: МКА/(МКС) – асинхронный (синхронный) канал сети МАГИСТР-А(С); ШК – шлюзовой канал; ПС – канал полевой сети; РПО – резидентное ПО (исполнительная система); ТК/(РК) – дискретный выход типа транзисторный (релейный) ключ.

Программное обеспечение, реализующее все функции контроллера в реальном времени, является резидентным (РПО) и поставляется вместе с контроллером. Применяются технологические языки ФАБЛ (язык функциональных блок-схем, используемый для регулирования и логического управления), библиотека содержит до 256 алгоритмов , программа – до 999 блоков, а также язык класса ST- ПРОТЕКСТ, используемый для решения задач пуска и останова, вычислительных функций и др. ПО контроллера OPC-сервер связи со SCADA-системами в стандарте OPC Date Access Automation Specification 2.0 и др. сервисные программы. Технические характеристики контроллеров серии КОНТРАСТ приведены в табл. 2.10. Таблица 2.10

Технические характеристики контроллеров серии КОНТРАСТ Наименование параметра РК-131/300 КР-300 1 2 3 Входы-выходы Аналоговые сигналы

Дискретные сигналы

Унифицированные сигналы тока и напряжения, сигналы термопар и термосопротивлений, гальваническая развязка 0-30 V (0,3 A), 0-220 V (2 A), гальваническая развязка

Число модулей УСО: блока БК блока БУСО

2 4

3 4

Число блоков БУСО

1

4 Продолжение табл. 2.10

1 Максимальное число аналоговых/дискретных входов/выходов: Блока БК Блока БУСО контроллера в целом

2

20/32 40/64 60/96

3

30/48 40/64 190/304

Конструктивы Габаритные размеры блоков БК и БУСО, 80×160×365 (Ш×В×Г), мм Напряжение питания блоков БК и БУСО

24 VDC, 220VAC

Потребляемая мощность

Не более 15 ВА на блок Функциональные возможности Число контуров регулирования с 16 32 безударной ручной или автоматической реконфигурацией АЧисло логических шаговых программ 9 32 Число каналов ручного управления 54 224 Объем архивации значений в ОЗУ 4000/64000 числовых/дискретных процесса значений (16КБ) Объем истории на флэш-диске процесса 525000/8384000 числовых /дискретных значений (1 Мбайт) Локальная сеть МАГИСТР Число устройств в сети До 31 Число аналоговых/дискретных До входов/выходов сети 1860/2976 Скорость, кбит/с

До 500

До 5890/ 9424

Топология и интерфейс сетей Моноканал, RS-485, витая пара Связь с верхним уровнем Количество числовых/дискретных значений, собираемых контроллером в буфере шлюза за один цикл работы сети МАГИСТР Скорость шлюзового порта, Кбод

До 115

Интерфейс шлюзового порта Тип устройств, шлюзовому порту

Макс. 2000/32000

RS-485/RS232/ИРПС, 1,2/0,02/4 км, одна или две витые пары

подключаемых

к

ЭВМ, модем

Динамические характеристики контроллеров Цикл контроллера, с 0,01-0,4 Время рестарта контроллера, с 0,0005 Окончание табл. 2.10 1 Цикл опроса аналоговых входов, с Скорость сети МАГИСТР

2 3 0,04-0,32 25,6 кбайт/с (12000/192000 аналоговых/дискретных сигналов в с)

Цикл сети, с (N контроллеров) Скорость передачи по шлюзовому порту

0, 005*N (макс. 0,15 с при N=30) 5000/80000 аналоговых / дискретных сигналов в с

Конструктивной основой модулей контроллеров РК-131/300 и КР300 является двухсторонняя печатная плата размером 235х140 мм с разъемом СНП58-64/94х9В-23-1. Контроллеры

серии

Рис. 2.29. Контроллер серии ЭК2000

ЭК-2000 (ЗАО «Эмикон», Россия). Контроллеры серии ЭК-2000 (рис. 2.29) состоят из вычислительного и кроссового блоков, соединенных между собой кабелями. В состав вычислительного блока входят модуль питания и процессорный модуль, устанавливаемые в каркас вместе с модулями УСО. В состав кроссового блока входят панели монтажные и блок источника питания (2 канала 24 VDC, 2 А). Контроллеры имеют бескорпусное, однокорпусное или двухкорпусное исполнения. В бескорпусном исполнении

контроллер размещается в шкафах пользователя, а при одно- или двухкорпусном исполнениях контроллер размещается в защитных кожухах со степенью защиты IP54. В состав контроллера входит панель оператора, которая может устанавливаться в защитном кожухе или на двери электрошкафа. На панели оператора располагаются дисплей и технологическая клавиатура. Панель оператора подлючается к контроллеру по последовательному интерфейсу RS-232 или RS-485. Степень защиты панели оператора IP65. Контроллеры поддерживают сетевую звездообразную или магистральную архитектуру. Физический уровень локальной сети - RS485, канальный уровень - Modbus или SDLC. Максимальное количество узлов в сети - 256. Скорость передачи от 19,2 Кбод до 2,5 Мбод (при использовании сетевых модулей С-02А и С-05А). В состав модулей УСО входит более 36 модулей, в том числе процессорные модули СРU-ОЗА и СРU-ОЗВ (процессор 20 МГц, ПЗУ - 32 кбайт, Flash - 512 кбайт, ОЗУ - 128 кбайт), модули ввода-вывода аналоговых и дискретных сигналов, преобразователи интерфейсов, модули счетчиков, сетевые модули, блоки питания. Все модули имеют гальваническую развязку между входными и выходными цепями и системным питанием. Программирование контроллеров осуществляется с помощью специального пользовательского языка СОNТ. Программы, написанные на языке СОNТ, работают в среде многозадачной операционной системы реального времени ОС-188, поставляемой вместе с контроллером. Особенностью языка является текстовое написание команд и символьное представление переменных. В качестве переменных в языке СОNТ используются разряды дискретного ввода-вывода, флаги, регистры, счетчики и таймеры. Язык СОNТ является открытым, т.е. в исходный текст программы можно включать подпрограммы, написанные на ассемблере процессора IВМ РС. Для написания и отладки программ используется интегрированная среда «СОNТ-Designer», работающая в операционной среде МS-DOS на IВМ-совместимом компьютере и включающая в себя редактор исходных текстов, транслятор и отладчик. При отладке программ контроллер подключается к персональному компьютеру по интерфейсу RS232. При заказе контроллера используется следующая классификация. ЭК-2 обозначает наименование серии контроллеров. Следующая цифра степень защиты контроллера: 1 - 1Р20: 2 - 1Р44: 3 - 1Р54. Третья цифра вариант исполнения контроллера: 0 - бескорпусной; 1 - однокорпусной; 2 - двухкорпусной. Четвертая цифра - количество модулей связи с

объектом: 1-2 МСО; 2-4 МСО; 3-6 МСО; 4-8 МСО; 5-10 МСО; 6-12 МСО. Контроллеры МELSEC AnSH, QnAS («Mitsubishi Electric», Япония). Модульная серия АnSH (рис. 2.30) предоставляет возможность оптимальной конфигурации системы для широкого спектра самых разных задания. Вы имеете выбор из 7 процессорных модулей, дифференцированных по уровням, и более чем 60 модулей различных приложений. Контроллер АnSH занимает очень мало места: Рис. 2.30. Контроллер AnSH например, до 160 сигналов ввода/вывода можно разместить на площади в 32,5×13 см, гарантируя вполне рентабельные решения автоматизации. Несмотря на свои небольшие размеры, компактный АnSH обладает мощностью гораздо более габаритной контроллерной системы: память на 30 К программных шагов, время выполнения логической инструкции 0,25 мкс и 10-30 мкс для арифметической инструкции и обработки слова. С помощью контроллера АnSH можно управлять до 96 осями шаговых двигателей. Контроллер поддерживает Profibus и Еthernet, а также собственные варианты шин фирмы MITSUBISHI - МELSECNET и МELSECNET/10. Серия МELSEC АnSH имеет прикладные модули: - модули ввода/вывода дискретных сигналов; - модули ввода/вывода аналоговых сигналов; - модули специализированных функций для обработки прерываний, ввода температуры, регулирования температуры, позиционирования, а также модули последовательных и сетевых интерфейсов. Основные характеристики контроллера МELSEC АnSH представлены в табл. 2.11. Таблица 2.11 Характеристики контроллера MELSEC AnSH Наименование Характеристика Сигналы ввода/вывода 1024 всего Число аналоговых сигналов До 256, разрешение 14 бит Память 8192 регистров, 30 К программных шагов Время выполнения инструкции, min Обработка бита-0,25 мкс, слова - 9,0 мкс

Многофункциональный контроллер МФК (АО «Текон», Россия). PC-совместимый программируемый контроллер МФК (рис. 2.31) предназначен для реализации функций контроля, программно-логического управления, многоконтурного регулирования, выполнения сложных алгоритмов управления, требующих большой вычислительной и информациРис. 2.31. Многофункциональный контроллер онной мощности. МФК Информационная мощность контроллера определяется числом дискретных входов - до 768, дискретных выходов - до 640, аналоговых входов - до 256 и аналоговых выходов - до 128. Рабочий диапазон температур без принудительного охлаждения: +5...+50°С. Предусмотрены режимы резервирования и дублирования. Конструктив контроллера: крейт 19" Евромеханика на 16 мест для установки процессорного модуля, модулей ввода-вывода и двух модулей формата РС-104. Системное программное обеспечение (СПО) контроллера teNIX™ включает ОС Linux, сервер ввода-вывода, сервер глобальных переменных и систему ISaGRAF. СПО реализует функции многозадачности, защиты ОС от программных сбоев, поддержки всех аппаратных ресурсов контроллера (Flash-диски, порты, сторожевой таймер и др.). Характеристики контроллера приведены в табл. 2.12. Таблица 2.12 Характеристики контроллера МФК Характеристика контроллера Параметры Процессор i586-133 МГц Память: ОЗУ

От 8 до 32 Мбайт

Flash-память От 8 до 144 Мбайт Энергонезависимое ОЗУ 128(512) кбайт Астрономический таймер- + календарь Сторожевой таймер +

Интерфейсы

Ethernet IEEE 802/3 10baseT, COM1 (RS232), COM2 (RS232/RS-485/V03/V04)

Дополнительные интерфейсы

Arcnet, CAN, 2-й модуль Ethernet IEEE 802/3 10baseT (для резервированного исполнения МФК) Блок клавиатуры и индикации (V Интерфейс RS232, пленочная клавиатура (36 03) (по заказу) клавиш), ЖКИ- 16 знакомест, подсветка Панель оператора (V 04) (по Интерфейс RS232, пленочная клавиатура (29 заказу) клавиш), ЖКИ- в текстовом режиме 4 строки х16 символов, в графическом режиме 128х64 точки, подсветка Питание 187..242 VAC Потребляемая мощность До 150 Вт

Связь с объектом МФК осуществляет через модули ввода-вывода сигналов, характеристики которых приведены в табл. 2.13. Таблица 2.13 Характеристика модулей ввода/вывода контроллера МФК Тип модуля Тип сигнала Число каналов Гальванич Погрешн ость, % еская изоляция 1 2 3 4 5 Продолжение табл. 2.13 1 D48 (дискретный ввод) F24 (дискретный, частотный и частотноимпуль сный ввод) D40R (дискретный вывод) D40S (дискретный вывод) P40 (дискретный вывод)

2 24…48 VDC 24VDC, до 50 кГц

3 4 48 (6 групп Группо по 8 каналов) вая 2500V 24

40 Герконовое реле (коммутир. мощн. до 10 Вт) 40 Твердотельное реле (коммутир. мощн. до 10 Вт) 40 (5 групп Полупроводн. ключи (коммутир. мощн. до 10 по 8 каналов) Вт)

5 -

Индиви дуальная 2500V

-

Индиви дуальная 2500V Индиви дуальная 2500V Группо вая 2500V

--

Ввод: 24…48 VDC D32 (вводВывод: полупроводн. вывод ключи (коммутир. мощн. дискретный) до 10Вт) A16/0 (аналоговый ввод) L16 (аналоговый ввод) T12 (аналоговый ввод) A08(аналого вый вывод) A16/2 (аналоговый ввод-вывод) TCB08M (умощнитель дискр. сигналов) TCB08S (умощнитель дискр. сигналов)

16 16

0…5(20) мА, 4…20 16 мА, 0…10 В 16 0…5(20) мА, 4…20 мА, сигналы от термопар группы по кан.) и термосопротивлений Сигналы от 12 тензодатчиков группы по кан.) 0…5(20) мА, 4…20

8

-

Индиви дуальная Группо (2 2500V 8 вая 2500V

0,15

Группо (3 4 вая 2500V

0,025

0,1

0,15

2

Индиви дуальная 2500V Индиви дуальная 2500V

8

-

-

8

-

-

мА Ввод: 0…5(20) мА, 4…20 мА, 0…10 В Вывод: 0…20 мА, 4…20мА Электромеханическо е реле (коммутир. 24VDC, 3A; 220 VAC, 2,5 A) Твердотельное реле (коммутир. 220 VAC, 2,5 A)

Индиви дуальная 2500V

16

0,15

Для подключения внешних устройств может использоваться интерфейс RS-485, режимы дуплексный (две витые пары в экране, сигналы DАТЕ–, DАТЕ+, RХD+ и RХD) и полудуплексный (одна витая паре в экране, сигналы DАТЕ+ и DАТЕ–). Процессорный модуль контроллера имеет следующие характеристики: — Процессор: АМD DХ5-133 (5x86-133); — ОЗУ: 8...32 Мбайт: Flash-память - 4...144 Мбайта; — Последовательные порты: СОМ1 RS232, СОМ2 RS232/RS-485; — Параллельный порт: LРТ1; — Сторожевой таймер; — Высокоскоростной последовательный интерфейс Ethernet (спецификация IЕЕЕ 802.3. скорость 10 Мбит/с). В контроллере устанавливается одна из операционных систем: ВОЗ или СПО на базе ОС Linux. В случае применения СПО достигается наиболее полное использование ресурсов контроллера. Программирование в этом случае осуществляется с помощью кроссовой системы программирования ТесоnСХ. Загрузка прикладных программ в память

контроллера производится по последовательному каналу или по сети Ethernet (протокол ТСР/ТР). Контроллеры ТКМ52 могут работать в резервированном режиме. В дублированной паре один контроллер является «ведущим», а второй – «ведомым». Контроллеры выполняют одну и ту же программу, одновременно измеряют сигналы датчиков и формируют одинаковые воздействия на объект управления. Выходные каналы модулей имеют оконечные реле, которые управляются триггером резервирования. Один ТКМ52 имеет только половину триггера, при объединении двух контроллеров образуется триггер, распределенный между двумя контроллерами. Правильность программы контролируется сторожевым таймером. Критерием работоспособности служит результат обращения к таймеру. При отказе «ведущего» контроллера распределенный триггер отключает его выходы от объекта и подключает выходы «ведомого» контроллера, который становится «ведущим». Так как в выходных каналах уже есть записанная ранее информация и она идентична, то происходит безударный переход управления от одного контроллера к другому. Контроллер КРОСС (ОАО «ЗЭиМ», Россия). Отличительные особенности контроллера КРОСС (рис. 2.32) по сравнению с ранее выпущенными контроллерами Р-130 и КОНРАСТ: соответствие международным стандартам и технологиям открытых систем; расширенные функциональные возможности; более развитое программное обеспечение; интеллектуальная система ввода-вывода и др. Котроллер базируется на процессоре Motorola MC68302, внутриприборной последовательной шине SP1 для подключения модулей УСО, промышленных сетях Modbus и Ethernet. В качестве технологических языков программирования используются языки по стандарту IEC 61131-3 (система ISaGRAF), а также Ultra C/C++. В качестве многозадачной операционной системы реального времени выбрана OS-9, обеспечивающая механизмы синхронизации процессов, надежную файловую структуру, наличие службы времени и Рис. 2.32. Контроллер КРОСС развитую сетевую поддержку. Использование открытой архитектуры контроллера позволяет использовать разнообразные прикладные программы, написанные на

стандартных языках (С, С++). Инструментальное программное обеспечение базируется на пакете HAWK под MS Windows и Unix с использованием компилятора С. Разработка ведется на РС-совместимом компьютере с последующей загрузкой исполнительного кода по интерфейсам RS232 или Ethernet. Аналогично ведется программирование с помощью пакета ISaGRAF, который, кроме того, обеспечивает единую технологию программирования контроллеров различных фирм и переносимость программ пользователей в целевую систему. Модули ввода-вывода, имеющие встроенный бортовой микропроцессор, осуществляют автономное (без центрального процессора) управления в циклическом режиме процедурами ввода-вывода, аналогоцифрового и цифроаналогового преобразования, а также предварительную обработку сигналов (фильтрация, линеаризация, калибровка и др.), ШИМ выходных сигналов, установку выходов в заданное состояние в аварийных ситуациях. Программная настройка модуля осуществляется предварительно перед установкой модуля. Имеется возможность подключения модулей ввода-вывода контроллера Smart2 фирмы PEP Modular Computers. Программа для модулей микроконтроллеров разрабатывается и заносится в память модуля на технологическом языке FBD. Максимальный объем алгоритмических блоков – 128. Библиотека алгоритмов содержит алгоритмы ввода-вывода сигналов, выполнение арифметических и логических операций, таймеры, счетчики, алгоритмы статических и динамических преобразований, импульсные и аналоговые ПИДрегуляторы и др. Высокая надежность контроллера обеспечивается рядом факторов, среди которых, помимо использования стандартов на аппаратное и программное обеспечение, снижения числа межмодульных контактных соединений за счет использования последовательной внутренней SPIшины (четыре сигнальных провода), наличие сторожевых таймеров и непрерывной внутримодульной диагностики, гальваническая изоляция выходов модулей, а также возможность «горячей» замены и резервирования модулей УСО. В табл. 2.14 приведены характеристики базовых средств контроллера КРОСС. Наименование Центральный блок

Таблица 2.14 Характеристики контроллера КРОСС Обозначение Состав и характеристики ЦБ1 SM2-CPU (CPU 68LC302, DRAM 1,5 MB; Flash 1 MB; SRAM 256 KB; 2x RS232) 2-4 канала SPI для подключения модулей УСО контроллера КРОСС.

1 канал SPI для подключения модулей УСО контроллера SMART. ОС РВ OS-9, исполнительная система ISaGRAF, поддержка протоколов TCP/IP, Modbus Модуль SPI ИСК1 2 канала SPI Портативный пульт ПП Кнопки управления, настройки индикаторы Инструментальная система ISaGRAFПрограмма-конфигуратор на ISaGRAF DEV32 32 переменные Модуль питания DC-24/5V1 Вход 24 VDC, выход +5V, 2 А (установка в на DIN-рейку) Блок питания LOK 4601Вход 220 VAC, выход 24 2R/P-ONE VDC, 2 A Модуль питания KPВход 24 VDC, выход +5V, 2 А DC24V1 (установка в ЦБ1) Субмодуль Ethernet SM2-ETH Ethernet-контроллер, скорость обмена до 10 Мбит/с, физический интерфейс RJ45 Пульт технолога-оператора ПТО 24 клавиши, ЖКИ-7 строк по 21 символу в строке, управление с ISaGRAF-программы ОРС-сервер Для интерфейсов RS232 или Ethernet Библиотека алгоритмов FBD-130 Расширенная библиотека контроллера Р-130 для ISaGRAF алгоритмов контроллера Р-130 для инсталяции в инструментальную систему программирования ISaGRAF

В табл. 2.15 приведены технические характеристики модулей УСО контроллера КРОСС. Таблица 2.15 Характеристики модулей УСО контроллера КРОСС Наименование Обозначение Характеристики AIO 1-8/4 8 AI, 4 AO Модуль ввода-вывода 20-160 м/с канал, унифицированных аналоговых погр.<0,2% сигналов (0-10В, 0(4)-20 мА) AI 1-8 8 AI, Модуль ввода унифицированных 20-160 м/с канал, аналоговых сигналов (0-10В, 0(4)-20 погр.<0,2% мА) Модуль вывода унифицированных AIO 1-0/4 4 AO аналоговых сигналов (0(4)-20 мА) 3 м/с канал, погр.<0,2% TCl-7 7 каналов ТП, 1 канал ТС, Модуль ввода сигналов термопар: 20-160 мс/канал, погр.<0,2% ТВР (А-1, А-2, А-3), ТПР (В), ТПП (R,S), TXA (K), TXK (L,T), THH (N), TMK(T), TЖК (J)

Модуль ввода сигналов термосопротивлений ТСМ50, ТСМ100, ТСП50, ТСП100 (по трехпроводной схеме) Универсальный модуль ввода аналоговых сигналов и вывода дискретных сигналов повышенного быстродействия Универсальный модуль ввода аналоговых сигналов и вывода дискретных сигналов повышенного быстродействия Модуль ввода дискретных сигналов Модули контроля и управления исполнительными органами (модуль обслуживает 2 запорные араматуры или 1 ЭК или электропривода) Программируемый микроконтроллер аналоговый (язык FBD, расширенная библиотека алгоритмов контроллера Р-130, аналоговые и импульсные ПИДрегуляторы, табличный редактор технологических программ) Программируемый микроконтроллер импульсный (язык FBD, расширенная библиотека алгоритмов контроллера Р-130, импульсные ПИД-регуляторы, табличный редактор технологических программ)

TRl-8

8 TC, 20-160 мс/канал, погр.<0,2%

МАД 8/8

8 AI, 8 DO, 20 мс на все каналы, погр.<0,2%

МАД 8/8

8 AI, 8 DO, 20 мс на все каналы, погр.<0,2%

DI 1-16

16 DI (2x8, 24 VDC)

МКУ-ЗА МКУ-ЭК МКУ-ЭП

8 DI, 24 VDC 8 DO (транзит), 24 VDC

МК-А

8 AI, 4 AO, 8 DI (24 VDC), 8 DO/IO (2x4, 24 VDC) 20-160 мс/канал, погр.<0,2%

МК-И

8 AI, 8 DI (24 VDC), 8 DO/IO (2x4, 24 VDC) 20-160 мс/канал, погр.<0,2%

Все модули контроллера выполнены для монтажа на DIN-рейку, межмодульные соединения осуществляются с помощью гибкого жгута. Размеры модуля (Ш´В´Г) – 30´130´100мм. Ширина аналогового модуля ввода-вывода – 60 мм. Соединение модулей с внешними цепями контроллера осуществляется через терминальные блоки, содержащие клеммные соединители и ряд блоков преобразования сигналов.

Контроллер ломиконт TM (ОАО «Электроприбор», Россия). Контроллер ломиконт (рис. 2.33) с встроенной системой Trace Mode (ломиконт TM) в качестве аппаратной части базового модуля содержит одноплатный RC-совместимый компьютер на основе процессора i486, а также Flash-диск, порт RS-485, два порта RS232, порт Ethernet и слот расширения формата PC-104. Контроллер ломиконт (рис. 2.33) с встроенной системой Trace Mode (ломиконт TM) в качестве аппаратной части базового модуля содержит одноплатный RC-совместимый компьютер на основе процессора i486, а также Flash-диск, порт RS485, два порта RS232, порт Ethernet и слот расширения формата PC-104. Новый базовый модуль обеспечивает преемственность базовых комплектов на контроллерах «Ломиконт-110» при условии перезаписи программы пользователя с использованием средств Trace Mode. Для подготовки программ пользователя в Trace Mode предусмотрены 2 языка Рис.2.33. Контроллер ломиконт TM технологического программирования – «ТехноFBD» и «ТехноIL». «ТехноFBD» – язык функциональных блоков, повторяющий технику программирования контроллеров «Ремиконт-110». Язык основан на соединении в цепочки и древовидные структуры библиотечных функций и алгоритмов. «ТехноIL» – язык последовательных инструкций. Данные языки являются расширениями языков FBD и IL, входящих в инструментальную систему технологического программирования ISaGRAF по стандарту IEC 61131-3. Система Trace Mode, кроме основной функции отображения на экране хода технологического процесса и трендов, позволяет решать следующие задачи: — объединение технологических процессов, управляемых несколькими контроллерами ломиконт TM, на одном экране в одну мнемосхему (используя технологию ОРС); — составление и оформление отчетов; — архивирование данных (3 типа архивов); — связь с различными приложениями Windows; — защиту информации от несанкционированного доступа (пароли); — возможность связи с удаленными терминалами через сеть Ethernet и

др. При оснащении системы радиомодемом и GSM-активатором возможна связь через сотовую телефонную сеть GSM (GSM-телемеханика). Контроллер ПКЭМ-3 (ОАО «Электромеханика», Россия). Контроллер (рис. 2.34) имеет блочно-модульную структуру и является проектно-компонуемым изделием. Модули контроллера выполнены в формате 3U (100´160 мм) шириной 4НР или 8НР. Базовый комплект контроллера позволяет компоновать его с различными модулями для решения конкретной задачи. В базовый комплект входят: -процессорный модуль на базе Рис. 2.34. Контроллер ПКЭМ-3 процессора МС68302/20 МГц со встроенной ОС РВ OS-9; -блок питания от сети 24 VDC и 220 VAC (вторичное напряжение +5 В, +/12 В); -объединительный каркас с интерфейсом VME. Процессорный блок включает блок монтажный и процессорный модуль VIUC3318 на шине VME. Внешние подключения и соединения между модулями и объектом осуществляются посредством разъемов DB-9, DB-15 (модуль VIUC) фирм Wago и Weidemuller (модули ввода-вывода). Технические характеристики процессорного модуля приведены в табл. 2.16. Таблица 2.16 Характеристики процессорного модуля контроллера ПКЭМ-3 Наименование Характеристики 1 2 Процессор МС68302 на базе микропроцессора МС68000, тактовая частота 20 МГц, коммуникационный сопроцессор Память: EPROM SRAM 1 Мбайт программируемого ПЗУ с ядром программы PB OS-9 и ISaGRAF 512 кбайт – энергонезависимое ОЗУ (литиевая батарейка) Быстродействие 0,8 мс на 100 инструкций Таймер реального времени Использует 44 байта SRAM, включает два 16разрядных таймера Окончание табл. 2.16 1 2 Сторожевой таймер Возможный диапазон программирования от 8 мкс до 1 мс Интерфейсы Интерфейс связи с ПЭВМ-RS232,

последовательный интерфейс связи по сети ProfibusRS-485

Характеристики модулей ввода-вывода приведены в табл. 2.17. Таблица 2.17 Характеристики модулей ввода/вывода контроллера ПКЭМ-3 Тип модуля Тип сигнала Число каналов Гальваническа я изоляция Индивидуа Дискретный 24 VDC 16 каналов (2 ввод группы по 8 льная до 1500 V каналов) Дискретный 110/220 VAC 8 каналов Индивидуа ввод льная до 1500 V Индивидуа Дискретный 24 VDC, 1 A/2 A 16 каналов (2 вывод группы по 8 льная до 1500 V каналов) Дискретный 110/220 VAC 8 каналов Индивидуа вывод льная до 1500 V Дискретный 250 VAC (2 A), 48 8 каналов Защита от вывод релейный VDC (2 A) к.з. – плавкий предохранител ь, напряжение изоляции 2500 V Индивидуа 16 Аналоговый +/-5 V, +/-10 V, 0-5 V, ввод 0-10 V; 50 M, 100 П; однопроводных (8 льная до 500 дифференциальных) V XA(K), XK(L), XK(E) 4 канала Индивидуа Аналоговый +/-5 V, +/-10 V, 0-5 V, льная до 500 вывод 0-10 V; 0-20 мА, 4-20 V мА

Габаритные размеры плат ввода-вывода – 100´160 мм. Платы занимают одно место в контроллере, за исключением модуля вывода переменного тока, занимающего два места. Также имеется модуль мезонинных плат – дискретный ввод, вывод, аналоговый ввод и вывод, каналы RS232/RS422/RS485. Программирование контроллера осуществляется с помощью пакета ISaGRAF по стандарту IEC 61131-3, поставляемого вместе с контроллером.

Контроллер «Микроконт-Р2» (НПО «Системотехника», Россия). Контроллер «Микроконт-Р2» (рис. 2.35) имеет модульную конструкцию со свободной компоновкой модулей. Набор модулей CPU – от одноплатных IBM-совместимых компьютеров на базе i486, 133 МГц до процессоров сбора i80C5l – обеспечивает Рис. 2.35. Контроллер «Микронт-Р2»

оптимальное

сочетание

цены

и

функциональных возможностей. Погрешность аналого-цифрового и цифроаналогового преобразования составляет +/-0,1%. В единую локальную сеть могут быть объединены до 256 контроллеров. В табл. 2.18 приведены основные характеристики процессорных модулей. Таблица 2.18 Характеристики процессорных модулей «Микроконт-Р2» Тип модуля СРU СРU-51 СРU-320DS СРU-482Х(386Х) Тип процессора

i80С51(31)

DS80С320

12 МГц 16К

24 МГц 16К

ППЗУ пользователя Системное ППЗУ

32К 16К

32К 16К

32К 16К

Flash-диск

—

—

1-60 Мбайт

Интерфейс ЛВС

RS-485

Тактовая частота Энергонезависимое ОЗУ

скорость данными

обмена

длина линии связи тип кабеля

9,6; кбит/с

19,2;

3; 0,75; 0,3 км

180486DХ4 (СРU 482Х) i80386SX40 (СРU 386Х) 40 МГц 1-32 Мбайт

СОМ1: К5232. СОМ1: СОМ2: К3232/ RS-485, RS-485. Ethernet СОМ2: RS232 или 38,5 1,2-115 115,2 кбит/с… 1 кбит/с Мбит/с 24-0,75 км

Экраниров. витая Экраниров пара . витая пара Напряжение питания 220 VАС 220 VАС; + 5 VDС, 2 А

— Экраниров. витая пара 5 VDC, 2 А

Характеристики модулей ввода/вывода контроллера «Микроконт-Р2» приведены в табл. 2.19. Таблица 2.19 Характеристики модулей ввода/вывода контроллера «Микроконт-Р2» Тип модуля Тип сигнала Число Параметры Гальваническая каналов сигнала изоляция Bi32DC24

Дискретный ввод

32

24VDC, 5VDC

Индивидуальная до 1000 В

Bi16AC220

Дискретный ввод Дискретный ввод

16

220 VAC

32

24 VDC

Индивидуальная до 1000 В Индивидуальная до 1000 В

Дискретный ввод Аналоговый ввод/вывод сигналов от ТС

16

220VAC

Ввод аналоговых сигналов от Аналоговый вывод/ дискретный

16

Bo32DC24 Bi16AD220 AiNOR/RTD Ai-TC Ao2/Bi16

20/10

2/16

Индивидуальная до 1000 В Индивидуальная -10…+10V, 0-10 V, -1 ¸ +1 V, 4-20 до 1000 В мА, 0-20мА/50М, 100 М, 50 П, 100 П Тип термопар: Индивидуальная ХК(L), XA(K), до 1000 В ПП(S) -10…+10V, 0-10 Индивидуальная V, -1 ¸ +1 V, 4-20 до 1000 В мА,

В состав контроллера входят средства отображения и ввода данных (пульт ОР-04, модуль индикации МП-1 и модуль управления информационным табло С1-192). Пульт оператора ОР-04 предназначен для организации человекомашинного интерфейса (МMI) в системах контроля и управления, выполненных на базе контроллеров «Микроконт-Р2», имеющих интерфейсы RS–232 и RS–485. Программирование контроллеров осуществляется с помощью инструментальной среды Турбо-РКС, объединяющей редактор, транслятор, отладчик и ряд сервисных программ. Подготовка и отладка прикладных программ производится с компьютера IВМ РС на одном из технологических языков – SFC и FBD, а также Ассемблер, С и Visual Basic. Контроллер МИК СМ9107 (ООО «Электронмаш-Систем», Россия). ПЛК МИК СМ9107 (серий ЕМ-9000, ТМ-8000 и ВМ2000) входит в состав комплекса МИКСИС. Контроллер поддерживает сетевой протокол Bitbus и позволяет создавать распределенные системы управления с удалением до 12 км и скоростью передачи до 2 Мбит/с. Модули УСО обеспечивают ввод-вывод нормированных сигналов. В состав ПО входят:

— встроенная ОС, поддерживающая до восьми задач в реальном масштабе времени; — кросс-система подготовки программ на Ассемблере; — система разработки и поддержки графического интерфейса оператора на ПЭВМ; — система организации многозадачного режима работы в реальном времени; — программное и алгоритмическое обеспечение обработки входных сигналов, управления, регулирования и оптимизации параметров настройки регуляторов; — программное обеспечение процесса архивации данных в реальном масштабе времени; — диагностическая система контроля работоспособности системы управления и — ряд др. Серия ЕМ9000. В состав базового комплекта ЕМ9015 контроллера входят центральный процессор, блок питания, блок вентиляторов и 19" крейт на 15 модулей УСО. В состав базового комплекта ЕМ9008 вместо крейта входит настольный корпус на 8 модулей УСО. Для процессорных модулей РС-based контроллеров к числу основных характеристик также относятся: · напряжение питания и габариты; · тип шины расширения; · тип встроенной ОС; · наличие и тип встроенной SСАDА- системы; · возможность подключения гибких и жестких дисков, дисплея; · возможность подключения жидкокристаллической или электролюминесцентной панели. Характеристики модулей контроллера представлены в табл. 2.20. Таблица 2.20 Характеристики модулей контроллера серии ЕМ9000 Тип модуля Характеристика модуля Число Параметры сигнала каналов ЕМ3105 Аналоговый ввод 32 0-5 мА, 4-20 мА ЕМ3104 Ввод сигналов от ТП/ ТС 16/8 10 мВ, 100мВ, 5 В ЕМ3154 ЕМ3202 ЕМ3202

Ввод сигналов термопар Аналоговый вывод Аналоговый вывод

от

48 8 16

Встроен драйвер преобраз. характеристик термопар 0-10 В, 0-5 мА 0-10 В, 0-5 мА

ЕМ2151

Дискретный ввод/вывод

24/16

24VDC, 150 мA

Процессорный модуль ПЛК выполняет следующие функции: - обеспечение работы операционной системы реального времени (ОС РВ); - организация коммуникаций между модулями внутри ПЛК; - хранение и выполнение программы управления технологическим процессом; - хранение информации, обусловленной программой управления; - осуществление связи с ПК или программатором. Операционная система реального времени (ОС РВ) предназначена для выполнения программ, записанных в контроллере, и обеспечения непрерывности процесса обработки данных, поступающих от модулей ввода/вывода, сетевых и т.д. Работа контроллера состоит из определенного количества операций, которые выполняются циклически или периодически. Многие процессорные модули поддерживают параллельное выполнение нескольких операций, каждая из которых может выполняться в свою очередь циклически или периодически. У некоторых модулей имеется возможность выполнять задачи по обработке прерываний. Все задачи конфигурируются при программировании контроллера. Существуют различные варианты реализации цикла работы процессорного модуля ПЛК, но в большинстве случаев его можно охарактеризовать следующей схемой (рис. 2.36). Временная диаграмма работы процессора в многозадачном режиме приведена на примере процессорных модулей ПЛК ТSХ Рremium фирмы Shneider Electric (рис. 2.37). Временная диаграмма для процессорных модулей контроллеров других производителей может отличаться от приведенной выше и зависит от конкретной реализации процессорного модуля. На этом рис. 2.38 Event, Fast, Master, System – соответственно задачи, выполняемые процессором. Event – задача обработки прерывания, Fast – «быстрая» задача, Master – мастер-задача, System – системная задача. Периоды работы каждой за дачи обозначены соответственно I, Р и Q, где I – обработка входов; Р – выполнение программы; Q – обновление сигнала на выходах.

Рис. 2.36. Схема реализации цикла работы процессорного модуля ПЛК

Рис. 2.37. Цикл работы процессорного модуля ПЛК

Основные отличия процессорных модулей ПЛК различных производителей характеризуются параметрами: · производительность процессора; · объем памяти программ и данных; · максимальное число обрабатываемых дискретных и аналоговых каналов. В качестве базовых процессоров в процессорных модулях контроллеров широко применяются процессоры фирм Intel (i80С186ЕС, i80188, i80386ЕХ(SХ), i80486DХ4, i80586, Pentium ММХ и др.), Motorola (МС68302, МС68360 и др.), Zilog (80182), AMD, NEC, Hitachi, Atmel и др. Для сбора и обработки данных используются вспомогательные процессоры (сопроцессоры) типов i80С188 (8 МГц), i80051(31), Р1С16С73А и др., а также RISC-встроенные сопроцессоры. Для примера рассмотрим базовый микропроцессор фирмы Motorola МС68000, выпуск которого относят к 1979 г. (одновременно с началом выпуска фирмой Intel микропроцессоров 8080). Базовая архитектура МП предполагает общий для всех моделей комплект регистров, набор единых способов адресации, а также базовую систему команд. Общими также являются принципы обращения к памяти и реализация внутреннего интефейса системы. МП МС68000 имел 16-разрядную шину данных и 24разрядную шину адреса, обеспечивая объем адресного пространства до

16 Мбайт. При этом внутренняя структура МП имела 32-разрядную организацию с 16-ю 32-разрядными регистрами для хранения данных и адреса, что дает основание отнести данный МП к семейству 32-разрядных МП. Тактовая частота МП составляла 16,7 МГц. К МП могли подключаться ряд периферийных устройств: параллельные и последовательные порты ввода-вывода данных, таймеры, контроллеры прерываний и др. С развитием базовой модели МП с 1983 по 1993 гг. фирмой Motorola были выпущены четыре модели 32-разрядных микропроцессоров: МС68020, МС68030, МС68040 и МС68060, отличающихся объемом внутренней кэш-памяти, наличием блока управления памятью, процессора для операций над числами с плавающей запятой и др. МП 68020 и 68030 имеют 32-разрядные шины адресов (А0-А31) и данных (DО-D31), внутреннюю кэш-память 256 байт (у МС68030 две кэш-памяти) и возможность подключения сопроцессоров. В МС68030 введено устройство управления памятью ММU (Memory Management Unit) с использованием конвейерного выполнения последовательности команд. 2.8.2.3. Коммуникационные модули Коммуникационные модули предназначены для обмена данными между контроллером и внешними устройствами по вычислительным сетям передачи данных. В последнее время получают распространение универсальные процессорные модули, выполненные по мезонинной технологии. В качестве внешних устройств выступают интеллектуальные терминалы, промышленные компьютеры, контроллеры, факсы, модули удаленного ввода-вывода и др. Среди коммуникационных модулей находят широкое применение коммуникационные модули локальных сетей СAN, Device Net, Profibus-DP, Ethernet, сети GSM и др., коммуникационные модули интерфейсов RS-232, RS-422/485. Характеристиками коммуникационных модулей являются допустимая скорость обмена (бит/с), число обслуживаемых устройств обмена данными, количество портов ввода-вывода, напряжение гальванической изоляции, напряжение питания, диапазон рабочих температур и ряд др. С целью недопущения снижения вычислительных ресурсов базового процессора, отвечающего за ввод-вывод, обработку информации и работу системы в целом, целесообразно использовать автономный процессор для реализации процедуры последовательного обмена данными по сети, так называемый сетевой коммуникационный контроллер. В качестве коммуникационных контроллеров широко используются контроллеры фирмы Моtоrо1а МС68302, МС68360, МРС8хх/82хх [57,59]. В состав коммуникационного контроллера фирмы Моtorola входят 3

типовых модуля: модуль центрального процессора СРU (Central Рrocessor Unit), модуль системной интеграции SIM (System Integration Module), модуль коммуникационного процессора (CPM–Communication Processor Module). Структура коммутационного контроллера приведена на рис. 2.38. Серия коммуникационных контроллеров МС68302, куда входят контроллеры МС68LС302/302V, МС68ЕN302 и др., используют 16разрядный процессор 68ЕСООО и обладают малым энергопотреблением и невысокой стоимостью, используются в телекоммуникационной аппаратуре различного назначения. Контроллеры серии МС68360 являются дальнейшим развитием серии МС68302 и обладают более высокой производительностью и расширенными функциональными возможностями. Контроллер имеет 32-разрядную шину данных и 32разрядную шину адреса. В состав коммуникационного контроллера серии МС68360 входят 32-разрядный процессор СРU32+ (33 МГц). Модуль системной интеграции 51М60 реализует интерфейс с системной шиной. В состав модуля входят генератор тактовых импульсов, контроллер динамического ОЗУ, блок тестирования и отладки и др., а также сторожевой таймер (watch-dod timer) и таймер прерываний. В состав модуля СРМ входят RISС-процессор, 2-портовое ОЗУ и большой набор периферийных устройств.

Рис. 2.38. Структура коммутационного контроллера

В состав периферийных устройств входят 4 связных последовательных контроллера (SСС), 2 управляющих последовательных контроллера (SМС), последовательный интерфейс SР1, параллельный порт Centronics, 3 параллельных порта, обеспечивающих протоколы квитированного и неквитированного обмена, четыре 16-разрядных таймера.

Связные контроллеры обеспечивают выполнение различных протоколов обмена, в том числе 802.3 Еthernet, UARТ, Тransparent и др. Так, связные контроллеры SСС модели МС68ЕN360 реализуют протокол обмена по локальным сетям Еthernet со скоростью обмена до 10 Мбит/с, а также протокол Сentronics. В коммуникационных контроллерах МРС8хх/82хх в качестве процессора используется 32-разрядный RISC-процессор Роwег РС со встроенными блоками кэш-памяти команд и данных. Коммуникационный процессор СРМ и блок SIМ этих контроллеров обеспечивают повышенную скорость обмена данными (до 100 Мбит/с по протоколу Fast Ethernet) и более высокую производительность. Тактовая частота процессора – 80 МГц. Серия МРС82хх является следующим поколением коммуникационных контроллеров на базе RISС-процессора Роwег РС, тактовая частота которого повышена до 200 МГц, увеличено число последовательных каналов в блоке СРМ, введен контроллер шины РСI. Коммуникационные контроллеры МС68ЕN360/ЕN360V имеют интерфейсы RS232, RS-485, Еthernet, Flash-память до 4 Мбайт, SRАМ и др. Коммуникационные процессоры позволяют организовать обмен данными по сети между программируемыми контроллерами, станциями вводавывода, рабочими станциями и др. интеллектуальными устройствами. Связь осуществляется по способу «точка-точка» (РРI – Рoint-to-Point Interface) для подсоединения одного устройства к другому или связь по сети, обеспечивающая обмен данными между абонентами сети. Корпус коммуникационного модуля выполнен из пластмассы или металла и крепится к стойке с помощью винтовых разъемов или специальной системы соединения, как правило, аналогичной системе крепления других модулей на стойку контроллера. Модуль также имеет разъем для подключения на внутреннюю шину контроллера. Коммуникационный контроллер выполняет все необходимые операции по формированию прерываний, обмену данными по сети и по внутренней шине контроллера. Некоторые модули предназначены для соединения различных сетей, в этом случае контроллер выполняет операции по преобразованию протоколов. Вид разъема, устанавливаемого на модуле, зависит от типа сети. Например, стандартный СОМ-порт предназначен для соединения с помощью последовательных интерфейсов КS232, RS422/485. Для соединения с помощью промышленного Еthernet используется стандартный разъем RJ-45. С развитием Интернет-технологий все чаще в контроллерах используются интерфейсные модули Еthernet, подсоединенные к webсерверу, благодаря чему Internet-данные, передаваемые по протоколам Еthernet, ТСР/IР, преобразуются в форму, понятную контроллеру. Web-

сервер находится либо внутри центрального процессора ПЛК, либо на отдельной плате, установленной на кросс-панели. Объема памяти отдельного модуля достаточно для хранения нескольких Web-страниц повышенной сложности. Таким образом, многие функции становятся доступными через Internet, в том числе детальная диагностика системы управления, просмотр данных реального времени, модификация данных приложения, отображение данных ПЛК в виде мнемосхем, графиков, таблиц на Web-страницах и пр. Конфигурирование и программирование коммуникаций контроллера осуществляется с помощью специального программного обеспечения, обычно поставляемого фирмой-производителем вместе с контроллером. В табл. 2.21 представлены данные коммуникационных модулей различных фирм.

Таблица 2.21 Данные коммуникационных модулей Тип модуля (ПЛК)

Фирма

140 NOE 771 00 (TSX Quantim)

Schneider Electric

140 CRP 811 00 (TSX Quantim)

Schneider Electric

CP 343-5 Siemens (Simatic S7-300 1756-DNB Allen(ControlLogix) Bradley IC697CMM742 (Series 90-70)

GE Fanuc

ADAM -5090

Advantech

ADAM -5090

Advantech

ADAM 82081DP01

Advantech

Интерфейс

Скорость обмена

1x Ethernet 10/ 10/100 Мбит/с 100BaseT, 1×100BaseFX 1xProfibus-DP, 12 Мбит/с; 1xRS232C, 1xRS-485 19,2 Кбит/с

«Шина» -

-

1 x Profibus-DP

12 Мбит/с

1 x DeviceNet

125, 250 или 500 Кбит/с

1x Ethernet 100BaseT 4xRS-232

10/ 10/100 Мбит/с

-

-

50 бит/с… 115,2 Кбит/с 3xRS-232, 1xRS-485, 115,2 Кбит/с, 1x Ethernet 10/ 10/100 Мбит/с Profibus-DP Master 9600 бит/с… 12 Мбит/с

ADAM 82531DP00 ADAM- 4581

Advantech

Profibus-DP Slave

Advantech

750-815 FP2-MW

WAGO Matsushita

1xRS-232/RS-485, GSM-модем Modbus RS-485 MEWNET-W

РСМ-3601

Advantech

Факс-модем

РА 7200 EMERALDMM/8 FВС

АDDIDATА Diamond Systems Fastwell

РС96-АRС-1 РС96-САN-1

Lippert Lippert

9600 бит/с… 12 Мбит/с 115,2 Кбит/с 115,2 Кбит/с 500 Кбит/с 56 Кбит /с (V.90)

1 х САN 1.2, 1 х RS232/RS-485 4/8 x RS232/RS-485

1Мбит/c; 115,2 Кбит /с Кбит/с 115,2 Кбит /с

Рrofibus DP, Рrofibus FMS; 2 × RS232/ RS-485 1хАгсNеt 1xСАN

12 Мбит/с; 115,2 Кбит/с 2,5 Мбит/с 1 Мбит/с

РС/104 1SА РС/104 РС/104 АТ96 АТ96

2.8.2.4. Модули специального назначения К числу специальных (функциональных) модулей относятся модули позиционирования, счетчики, модули взвешивания, модули часов реального времени и памяти, вычислительные, логические и диагностические модули, модули энкодера, технического зрения, одно- и двухканальные модули барьеров искробезопасности, модули мезонинных плат, модули питания и др. Модуль позиционирования используется при автоматизации процессов перемещения изделий в различных отраслях промышленности, будь то упаковка изделий, производство автомобилей, робототехника, складское хранение или движение товаров от начальной до конечной позиции. При увеличении степени автоматизации предприятий критической становится возможность координации работы различных перемещающих устройств, дистанционное изменение программ движения и получение информации о состоянии продукции. Оборудование для управления перемещением должно обеспечивать гибкость и высокую точность, что возможно только при использовании цифровых сервоустройств. Для обеспечения быстроты и простоты связи, настройки и эксплуатации необходима интеграция устройств перемещения с контроллерами в целом. Устройства для управления серводвижением включают контроллеры, приводы, двигатели и различную арматуру. Модули позиционирования имеют возможность простой связи с программируемым контроллером для согласования работы инструментального и транспортного оборудования, обеспечивая высокую производительность при автоматизации предприятий. Модули позиционирования работают в следующих режимах:

— установка скорости движения и торможения; — абсолютный пошаговый режим: координаты точек позиционирования задаются в виде абсолютных координат, сохраняемых в памяти в табличной форме; — относительный пошаговый режим: перемещение определяется пройденным путем; — режим контрольных точек: выполнение операций синхронизации при прохождении контрольных точек. Дополнительные функции: смещение нуля, установка контрольных точек, удаление информации о пройденном пути.

2.8.3. Программное обеспечение АСУ ТП 2.8.3.1. Языки программирования ПЛК по стандарту IЕС 61131-3 Языки программирования микроконтроллеров описаны в стандарте Международной электротехнической комиссии IЕС 61131-3. Причинами разработки стандарта послужили два основных фактора: большое количество разнородных языков программирования (каждый изготовитель в комплекте с ПЛК поставлял свои программные средства его программирования) и сложность получаемых программ для чтения и редактирования (зачастую в случае обнаружения неточности в программе или необходимости ее корректировки разобраться в ней и изменить ее мог только автор). В этом стандарте описаны два текстовых языка (IL – Список инструкций и SТ – Структурированный текст), два графических языка (LD – Язык диаграмм лестничной логики и FBD – Язык диаграмм функциональных блоков), а также язык графических схем SFС (Язык последовательных функциональных схем). Стандарт IЕС 61131-3 не устанавливает правил взаимодействия программного обеспечения, поставляемого изготовителем, что позволяет повысить гибкость представления и сделать программирование более удобным для пользователя. 2.8.3.2. Объекты адресации языков программирования ПЛК

Прежде чем приступить к более или менее детальному описанию языков программирования, устанавливаемых стандартом IЕС 61131-3, следует рассмотреть основные логические объекты, которыми оперируют эти языки и соответствующие им физические переменные. В предыдущих разделах было подробно рассмотрено назначение и устройство ПЛК как основного управляющего элемента в составе АСУТП. Из ранее изложенного следует вывод, что направленность ПЛК на управление технологическими процессами, выражающаяся прежде всего в наличии в его комплектации множества разнообразных коммуникационных модулей, требует специфического программного обеспечения, предназначенного для разработки управляющих программ. Поскольку большинство задач управления реальными промышленными объектами требует не столько большого объема математических вычислений, сколько значительного количества логических операций, совершаемых над информационными сигналами, получаемыми по различным каналам от датчиков технологических параметров, основное внимание в программном обеспечении ПЛК уделяется организации опроса модулей ввода дискретных и аналоговых информационных сигналов, их логической обработке и формированию управляющих решений с выдачей последних на соответствующие модули вывода. Основные объекты адресации языков программирования ПЛК представляют собой либо биты, соответствующие дискретным логическим переменным, либо слова того или иного формата, соответствующие числовым данным. Объекты-биты имеют длину, соответствующую одному разряду, принимают значения 0 или 1 и соответствуют либо дискретным сигналам ввода/вывода, либо результатам выполнения тех или иных логических операций (0 соответствует понятию «ложь», 1 - понятию «истина»). — Биты ввода/вывода. Эти биты являются «логическими отображениями» электрического состояния ввода-вывода. Они хранятся в памяти данных и обновляются на каждом сканировании задачи, в которой они сконфигурированы. — Внутренние биты. Внутренние биты %Мi используются для хранения промежуточных состояний во время выполнения программы. — Системные биты. Системные биты с %S0 до %S127 следят за корректностью операции ПЛК в процессе работы программы приложения. — Биты функциональных блоков. Биты функциональных блоков соответствуют выходам специальных программных блоков, разработанных программистом. Эти выходы могут быть подсоединенными непосредственно (физически) либо использоваться как объекты. — Биты, выделяемые из слова. Используя программное обеспечение, можно выделять один из 16 битов из объекта типа «слово» (WORD).

Объекты-слова имеют различную длину и позволяют описывать числовые данные. — Байт. Этот формат имеет длину 8 бит и используется исключительно для операций над символьными строками. — Слово одинарной длины. 16-битные слова могут содержать алгебраическую величину в диапазоне от -32 768 до 32 767. — Слово двойной длины. 32-битные слова могут содержать алгебраическую величину в диапазоне от -2 147 483 648 до 2 147 483 647. Эти слова хранятся в памяти в виде двух последовательных слов одинарной длины. — Слова с плавающей точкой используются при выполнении некоторых математических операций. Адресация переменной величины в стандарте IЕС 61131-3 осуществляется следующим образом. Сначала записывается символ стандарта %, затем тип объекта (ввод, вывод или др.), затем формат объекта (бит или слово), после чего адрес (номер корзины, номер модуля, номер канала – для величин ввода/вывода или номер регистра – для внутренних переменных ПЛК). 2.8.3.3. Язык Ladder Diagram (LD) Язык LD представляет собой графическую интерпретацию процесса разработки релейно-контакторных схем управления. Первоначально на языке LD программировались контроллеры производства компании Аllen Bradley. Ввиду его удобства и значительного количества пользователей, обладающих навыками проектирования логических систем на базе реле и контакторов, язык LD был введен в стандарт IЕС 61131-3 и в настоящее время является одним из наиболее распространенных языков программирования ПЛК. Этот язык наиболее удобен для программирования небольших задач дискретной логики, поэтому многие контроллеры младших классов имеют язык LD в качестве основного для разработки программ управления. Программы, написанные на языке LD, состоят из последовательности ступеней, которые выполняются ПЛК последовательно, слева направо. 2.8.4. SCADA-системы в распределенных системах управления Современные распределенные системы управления (РСУ) характеризуются территориальной и функциональной распределенностью систем сбора данных и управления. Контроль хода технологического процесса и управление низовой автоматикой осуществляется оператором с автоматизированного рабочего места оператора (АРМ-оператора) или

операторской станции, состоящей, как правило, из цветного графического дисплея с клавиатурой, установленных в операторском помещении. При необходимости установки АРМ-оператора в цеху используются промышленные рабочие станции со встроенной клавиатурой или выполненной в пыле-, влагозащищенном исполнении. Представление данных в реальном масштабе времени о ходе технологического процесса, визуализация процесса в виде мнемосхем, составление отчетов и графиков, сигнализация отклонений параметров и другие функции осуществляются с помощью специального программного обеспечения SCADA-систем. SCADA-система (Supervisory Control And Date Acquisition – система сбора данных и оперативного диспетчерского управления) разрабатывалась как универсальное многофункциональное программное обеспечение систем верхнего уровня, позволяющее оперативному персоналу наиболее эффективно управлять технологическим процессом. По мере развития программных и аппаратных средств наблюдается применение SCADA-систем на нижнем, контроллерном уровне, о чем будет сказано ниже. Основные функции, выполняемые практически любой из многих представленных на рынке промышленной автоматизации SCADA- систем: Сбор данных о параметрах процесса, поступающих от контроллеров или непосредственно от датчиков и исполнительных устройств (значения температуры, давления и др. параметров, положение клапана или вала исполнительного механизма). Обработка и хранение (архивирование) полученной информации. Под обработкой информации понимается выполнение функций фильтрации, нормализации, масштабирования, линеаризации и др. для приведения данных к нужному формату. 3. Графическое представление в цифровой, символьной или иной форме информации о ходе технологического процесса. Это может быть динамизация значений переменных, представление значений переменных в виде графиков в функции времени (трендов), гистограмм и др. 4. Сигнализация изменений хода технологического процесса, особенно в предаварийных и аварийных ситуациях в виде системы алармов. При этом может осуществляться регистрация действий обслуживающего персонала в аварийных ситуациях. 5. Формирование сводок, журналов и др. отчетных документов о ходе технологического процесса на основе информации, собранной в архивах. 6. Формирование команд оператора по изменению параметров настройки и режима работы контроллеров, исполнительных устройств (пуск-останов, открытие-закрытие и др. функции). 7. Автоматическое управление ходом технологического процесса в

соответствии с имеющимися в SCADA-системах алгоритмами управления (ПИ-, ПИД-регулирование, позиционное, нечеткое регулирование и др.). Данные функции рекомендуется использовать для решения задач невысокого быстродействия. Таким образом, SCADA-системы являются мощным инструментом для разработки ПО верхнего уровня АСУ ТП. При этом от разработчика не требуется больших знаний в области программирования на языках высокого уровня. Наиболее распространенные на сегодняшний день SCADA-системы для РСУ представлены в табл. 2.22. Таблица 2.22 № п/п 1 1 2 3 4 5 1 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21

Наименование 2 InTouch Genesis32 iFIX Trase Mode Real Flex 2 Cimplicity WinCC Citect IMAGE MasterSCADA VNS КРУГ 2000 WizFactory Elipse Windows Genie 3.0 MOSCAD СКАТ-М КАСКАД VIORD microSCADA Phocus МИКСИС (MIKSys)

SCADA-системы Фирма-производитель 3 «Wonderware», США «Iconics», США «Intellution», США «AdAstra», Россия «BJ Software Systems (BJSS)», США Окончание табл. 2.22 3 «GE Fanuc», США-Япония «Siemens», Германия «CI Technology», Австралия «Numpha Soft», Финляндия - Россия «ИнСАТ», Россия «ИнСАТ», Россия «КРУГ», Россия «PC Soft International Inc.», США-Израиль «Elipse Software LTDA», Бразилия «Advantech»,Тайвань «Motorola», США «Центрпрограммсистем», Россия АО «Элара», Россия «ФИОРД», Россия «Jade Software», Россия «МИФИ», Россия

Рассмотрим кратко характеристики SCADA-систем, используемых в распределенных системах управления. SCADA-система InTouch («Wonderware», США). Программное обеспечение InTouch является объектно-ориентированным

человекомашинным интерфейсом (НМI – Нuman Machine Interface) для процессов сбора данных и управления. НМI позволяет контролировать и управлять объектами и системами, используя графические объекты. Основные функции НМI: отображение параметров объекта управления; отображение текущих и исторических трендов; отображение и регистрация аварийных сигналов. Средства объектно-ориентированного проектирования позволяют создавать динамические изображения, поддерживают их вращение, дублирование, копирование, вставку, стирание и др. операции. Анимационные связи поддерживают работу с дискретными, аналоговыми и строковыми переменными, горизонтальными и вертикальными движками и кнопками, а также связаны с размером и цветом текста, его местоположением, вращением и мерцанием. InTouch содержит полную библиотеку мастер-объектов (Wizard), включающую предварительно сконфигурированные вспомогательные средства – переключатели, ползунковые регуляторы, счетчики (рис. 2.29). Возможно создание собственных мастер-объектов применительно к конкретной системе. Приложение Productivity текста (SТ) по стандарту IЕС 61131-3. Поддерживается технология АctiveХ (ПИ-, ПИД-регуляторы, нечеткая логика и др.). Также допускается программирование с использованием традиционных языков программирования. Встроенный менеджер проектов позволяет организовать приложения по проектам, редактировать все программы в рамках одного проекта, присваивать приоритеты на управление разным задачам. InControl поддерживает различные промышленные интерфейсы и сети – Profibus, DeviceNet, Interbus, DDЕ, SDS, Internet и др. Подобно другим компонентам, Factory Suite In Control через набор мастер-объектов интегрируется с InTouch. Пакет InTrack – система управления производственными процессами: от закупки сырья, материалов и комплектующих до выпуска готовой продукции. Различные схемы производственных процессов создаются в специальном графическом редакторе и включают мастер-объекты, среди которых есть производственные цепочки, материальные ресурсы, продукты и пр. Таким образом, в рамках одной прикладной программы совмещаются функции SCADA-системы и МЕS-системы (Мanufacturing Execution System – производственная исполнительная система). Использование DDЕ-обмена и ОLE-технологии позволяют организовать связь с устройствами ввода-вывода, а также с системами верхнего уровня МRР (Мanagement and material Resource Planning – система планирования ресурсов предприятия). InTrack включает в себя, подобно InTouch, тэги, текущие и исторические тренды, алармы, сценарные функции и мастеробъекты. За счет встроенных функций открывается возможность автоматизации задач учета, планирования и диспетчеризации производства.

InBatch – гибкая система управления процессами дозирования и смешения в металлургической, химической, пищевой и др. отраслях промышленности. Имеется возможность моделировать процессы, создавать рецепты и имитировать их исполнение, а также управлять реальным процессом. InBatch тесно интегрирован с InTouch, что позволяет оператору вести мониторинг периодических процессов дозирования и смешения. Кроме того, InBatch имеет набор функций для интеграции с ЕRР-системами (Еnterprise Resource Planning – система планирования производства), в том числе осуществлять планирование сроков, материалов и производственных результатов производственных процессов. FactorySuite Web Server с помощью утилиты Application Publisher выполняет функции преобразования созданных InTouch приложений в вид, доступный для просмотра с любого удаленного узла, и управления производственным процессом в режиме реального времени через Internet и Intranet. В январе 2003 г. появилась новая версия InTouch 8.0 пакета FactorySuite А2 на платформе АrchestrА компании Invesys, объединяющей все компоненты FactorySuite А2. В числе новых компонентов – сервер приложений Industrial Application Server (IAS), пришедший на смену Industrial SQL Server. IАS включает БД Gа1аху со средой разработки приложений IDE (Integrated Development Environment) и средой исполнения. IAS обеспечивает сбор и обработку информации в режиме PB, управление подсистемами алармов и событий, сервисы управления данными и может быть полнофункциональным или распределенным (БД, компоненты, среда разработки и среда исполнения разнесены по рабочим станциям). IAS в отличие от InTouch 7.11 оперирует не с тэгами, а с объектами («аналоговое устройство», «дискретное устройство», «платформа», «переключатель» и др.). Использование платформы АrchestrА обеспечивает интеграцию IAS, БД IndustrialSQL и SCADAсистемы InTouch 8.0, сокращая время разработки приложений для автоматизации всего производства. АrchestrА, таким образом, заполняет нишу между АСУ ТП и ЕКР- системами верхнего уровня. SCADA-система Genesis 32 («Iconics», США). Genesis 32 состоит из 32-разрядных приложений для ОС Windows 95/98/NТ/2000, построенных в соответствии с технологией ОРС. В состав Genesis 32 входит среда разработки и исполнения сценарных процедур VВА (Visual Basic for Application), которая входит в пакет MS Office2000. Все программные компоненты Genesis 32 поддерживают технологию АctivеХ. В состав Genesis32 входят следующие клиентские приложения: GraphWorX32, ТrendWorX32, АlarmWorХ32 и ScriptWorX32 (рис. 2.40). Данные

приложения могут поставляться как в составе комплекса Genesis 32, так и отдельно. В число дополнительных приложений и инструментальных средств разработки входят: DateWorХ32, Symbols32Library, ActiveX ToolBox, WebHMI, ОРС-серверы и ряд др. GraphWorХ32 - программный пакет, предназначенный для представления параметров технологического процесса на графических мнемосхемах и представляющий собой полностью соответствующее спецификации ОРС клиентское приложение, основанное на технологиях АctiveХ и ОLЕ. Экранные формы визуализации параметров технологических процессов (мнемосхемы процесса) создаются на основе встроенных средств рисования (библиотека элементов отображения) или управляющих элементов ActiveX др. производителей. Возможна динамизация элементов изображения со временем обновления графической информации 50 мс, встраивание графиков ТrendWorХ32 и экранов АlarmWorХ32, а также встраивание в НТМL-страницы и просмотр браузерами Internet (MS Internet Explorer). TrendWorХ32 обеспечивает накопление и представление текущих данных (параметров), получаемых от серверов, в виде графических зависимостей от времени, а также архивацию информации в базах данных с возможностью последующего извлечения и просмотра в виде трендов. Используются виды зависимостей значений параметра от времени, логарифмическая зависимость параметра от времени, гистограмма, зависимость одного параметра от другого. К другим функциональным возможностям ТrendWorХ32 относятся: — Архивирование значений параметров в БД МS Асcess, МS SQL Server, Оracle и Microsoft Date Engine (МSDЕ) с помощью сервера архивации данных TrendWorX32 SQL Server. — Возможность одновременного просмотра текущих и архивных данных. — Вывод графиков на печатающее устройство, сохранение отчетов в формате HTML и др. АlarmWorХ32 – подсистема обнаружения аварийных и др. событий, связанных с отклонением параметров системы от заданных значений. Основные функциональные возможности АlarmWorХ32: — Обнаружение аварийных событий по признакам, определимым пользователем. — Оповещение персонала об обнаруженных отклонениях параметров (дозвон по коммутируемым линиям связи, звуковой сигнал, голосовое сообщение). — Анализ аварийных ситуаций и действий обслуживающего персонала.

— Запись информации об аварийных событиях в журнал Windows NТ и ряд др. Сервер архивации событий АlarmWorX32 SQL Logger предназначен для приема сообщений о событиях от серверов ОРС Alarms and Events и записи их в базу данных MS Access и MS SQL Server. ScriptWorХ32 – средство разработки и исполнения сценарных процедур Microsoft Visual Basic for Application (VВА), в том числе формирования отчетов и заданий. К числу функциональных возможностей ScriptWorХ32 относятся: — Ускорение разработки сценариев при помощи мастера сценариев. — Возможность компиляции сценариев в многопоточные библиотеки динамической компоновки (DLL). — Диагностика текущих состояний сценариев. — Открытый интерфейс ОLE Automation и др. DateWorХ32 – ОРС-сервер для связи клиентских и серверных компонентов. Функциональные возможности DateWorХ32: — Централизация параметров процесса от множества серверов ОРС в едином списке. — Оптимизация запросов множества клиентов ОРС к одним и тем же параметрам в разных серверах ОРС. — Организация списка глобальных переменных с возможностью выполнения арифметических, функциональных, логических и др. операций над ними и ряд др. WebHMI – средство просмотра графических мнемосхем процесса в сетях Internet и Intranet. Данные могут быть представлены любому РС, на котором установлен браузер Microsoft Internet Explorer. Помимо просмотра информации WebHMI обеспечивает возможность оперативного диспетчерского управления процессом. Genesis 32 предоставляет возможности использования пакета для мобильных применений с помощью средств Рocket Genesis для карманных компьютеров и MobileHMI – для мобильного телефона.

Рис. 2.39. Состав Genesis 32

SCADA-система iFix («Intellution», США). iFIX входит в состав интегрированного пакета FIХ Dynamics (ПО Intellution Dynamics). FIX Dynamics – полностью интегрированное решение на основе стандарта ОРС, СОМ/DСОМ-технологии, VВА. Ядром пакета является система IСОRЕ, предназначенная для объединения всех приложений. Компонентами I-СОRЕ являются подсистемы тревог (alarms), защиты (security), конфигурирования (SCU), поддержки сети (Network), ОРСклиент, VВА и Workspace. Вокруг ядра 1-СОRЕ располагаются другие подсистемы, в том числе база данных реального времени, которая взаимодействует с остальными приложениями по протоколу ОРС. Спецификации протокола разработаны компаниями, входящими в общество ОРС Foundation (140 компаний-членов общества). Основная цель спецификации – стандарт на разработку драйверов между контроллерами и

SCADА-системами. Скорость обмена данными определяется тем, что он проводится через общую память и реализуется модулями динамической библиотеки DLL или локальным ЕХЕ-сервером. Пакет iFIX является 32-разрядным ПО, работающим с ОС Windows NТ/2000, поддерживающим распределенную архитектуру «клиент-сервер». Пакет iFIX основан на современных технологиях ОРС, СОМ, АctiveХ, VВА и др. Ядром пакета iFIX является БД реального времени, состоящая из набора стандартных блоков-тэгов (более 30 типов), с помощью которых менеджер БД предоставляет широкие возможности по разработке и ведению БД. Имеется возможность экспорта-импорта базы данных из текстовых файлов. БД может выступать как сервером, так и клиентом. Среда разработки и отображения проектов Intellution Workspace (рис. 2.41) предоставляет широкие графические возможности и позволяет разрабатывать проект в единой среде с интуитивно понятным интерфейсом. Intellution Workspace имеет встроенный язык программирования VВА. Поддерживает два режима – режим Configuration (конфигурирование или разработка проекта) и режим RunTime (режим выполнения). Пакет iFIX поддерживает внедрение объектов АctivеХ, что позволяет помещать на мнемосхеме любые доступные компоненты. В числе объектов АсtivеХ поставляется «Сводка тревог» для контроля аварийных ситуаций на производстве в реальном масштабе времени. В iFIХ имеется инструмент VisionХ для получения информации из реляционных баз данных (SQL Server, Огасlе, SyBase, Informix, DВ2 и др.). С его помощью осуществляется связь с ОDВС или ОLЕ DВ источниками без программирования (знание языка SQL не требуется). VisionХ представляет собой набор готовых объектов АсtiveХ, которые бесшовно интегрируются в Intellution Workspace. Для защиты системы от сбоев, вызванных некорректной работой объектов, используется технология Secure Containment. ОneStep Generator автоматически конфигурирует память ПЛК и устройств ввода-вывода, используя библиотеку функциональных блоков, а также осуществляет сигнализацию, архивирование и диагностику. SCADА-система Тrасе Моdе («АdAstra Research Group», Россия). Тгасе Моdе – это 32-разрядная SCADА-система, имеющая сертификат Госстандарта РФ и широкое распространение в России и странах СНГ. Тrасе Моdе является интегрированной SCADA/HMI и SoftLogic системой, когда разработка приложений для операторских станций и контроллеров производится в рамках одного проекта на базе единого ПО. За счет использования принципов автопостроения проекта сокращаются время его разработки и стоимость. Архитектура системы Тrасе Моdе – это клиент-серверная архитектура с использованием общей модели объектов DСОМ для ОС Windows

NТ/2000/ХР. Основу Тrасе Моdе составляет мощный сервер и БД реального времени. Связь с клиентскими модулями, приложениями SCADA-систем, УСО и СУБД осуществляется через стандартные интерфейсы DСОМ, ОРС, НТТР, DDЕ, Т-СОМ, АctivеХ, SQL/ОDВС. Основные функции системы Тrасе Моdе 5: — Модульная структура с числом каналов от 128 до 64000x16. — Встроенная поддержка российских контроллеров ремиконт, ломиконт, Ш711, КРУИЗ, МФК, ЭК2000 и др. — Поддержка международного стандарта на средства программирования контроллеров IЕС 61131-3. — Библиотека драйверов контроллеров фирм Rockwell Automation,Siemens, Schneider Electric, Moeller, PEP, Fisher Rosemount и др. — Средства программирования РС-base контроллеров МIС2000, RОВО, Lagооn, ТRЕI и др. — Встроенная система более 150 алгоритмов АСУТП, в том числе алгоритмы фильтрации, ПИ- и ПИД-регулирования, нечеткое и позиционное регулирование, ШИМ-преобразование и др., а также адаптивная настройка регуляторов. — Открытость для встраивания пользовательских алгоритмов и форм отображения АсtivеХ. — Возможность резервирования локальных сетей, датчиков, архивов с автоматическим восстановлением после сбоя. Суть автопостроения, ускоряющего разработку проекта, заключается в автоматическом генерировании баз каналов операторских станций и контроллеров на основе информации о числе точек ввода-вывода, номенклатуре контроллеров и УСО, характере связи между ПК и ПЛК. Благодаря автопостроению, разработка АСУ ТП сводится к следующему: — В рабочем поле редактора базы каналов размещаются иконки (объекты) контроллеров и операторских станций. — Указываются число сигналов ввода-вывода и наличие информационного обмена между узлами. — Запускается автопостроение, которое автоматически формирует базы каналов проекта. Разработка графического интерфейса осуществляется с помощью редактора представления данных (аналогичного редактору базы каналов), который позволяет создавать мнемосхемы технологических объектов и динамические объекты (гистограммы, тренды, бегущие дорожки и пр.). Библиотека объектов включает емкости, теплообменники, кнопки и др. Пользователь может на языке Visual Basic (VВ) написать собственные формы как АctivеХ и встроить их в Тrасе Моdе. Возможна отладка проекта из редактора Тrасе Моdе в режиме реального времени.

По протоколам ТСР/IР, IРХ/SРХ, DСОМ, DDЕ/NetDDЕ, ОРС и др. осуществляется связь с офисными приложениями Ехсеl, Ассеss, МS SQL Server, Огас1е, SyBase, ВаseStar, R/3, программами ПАРУС и ГАЛАКТИКА на уровне АСУП. Основу ПО диспетчерского уровня управления составляют МРВ. МРВ Тrасе Моdе – это сервер реального времени, осуществляющий прием данных с контроллеров, управление процессом, визуализацию информации, расчет ТЭП, ведение архивов (с дискретностью 0,001 с). Тrасе Моdе содержит средства для разработки АРМ руководителя с помощью модулей Supervisor, которые предоставляют руководителю всю необходимую информацию о параметрах и состоянии технологического процесса. Тrасе Моdе позволяет создавать резервированные многоуровневые АСУ ТП масштаба предприятия на базе ведущих сетевых ОС с обменом по протоколам NetBios, NetBEUI, IРХ/SРХ, ТСР/IР (рис. 2. 40).

Рис. 2. 40. Уровни сетевых комплексов

Оформление отчетов о ходе технологического процесса осуществляется с помощью сервера документирования. Сервер принимает данные от удаленных модулей и обрабатывает их в соответствии со сценариями. Готовые отчеты могут быть записаны в файл, выведены на печать, экспортированы в СУБД или представлены в Internet. Для обмена информацией по сети Internet используется Web-сервер Тrасе Моdе. Технология тонкого клиента позволяет осуществлять визуализацию процесса. SСАDА-система Citect («CI Technology», Австралия)

SCADA-система Citect является 32-разрядным приложением Windows 98/2000/ ХТ/ХР и построена на базе мультизадачного ядра реального времени. Система способна опрашивать до 5000 точек /с. Citect является модульной и масштабируемой клиент-серверной системой, применяемой как для небольших, так и для крупных производств с сотнями тысяч параметров, имеет встроенное резервирование модулей, каналов связи между модулями и между модулями и контроллером. Citect состоит из пяти функциональных модулей (серверов или клиентов): I/O, Display, Alarms, Trends, Reports. I/О модуль является сервером ввода-вывода. Обеспечивает передачу данных между физическими устройствами ввода-вывода и остальными модулями системы. Display является клиентом визуализации. Модуль обеспечивает операторский интерфейс, отображает данные, поступающие от др. модулей Citect, и выполняет команды оператора. Alarms – сервер алармов (тревог). Контролирует текущие значения параметров, сравнивает с допустимыми пределами и отображает алармы на операторском экране. Trends – сервер трендов. Осуществляет сбор и регистрацию значений параметров с отображением в режиме реального времени или в виде исторических трендов. Reports – сервер отчетов. Генерирует отчеты по истечении времени, по событию или по запросу оператора. Каждый функциональный модуль системы Citect исполняется как отдельная задача, независимо от того, исполняются ли модули на одном компьютере или на разных. Так, благодаря модульной структуре Citect, один и тот же функциональный модуль может быть загружен в два компьютера одновременно: при этом один модуль будет работать как основной (primary), а другой как резервный (standly). Настройка резервирования вступает в действие сразу после выбора режима работы. Для разработки графического интерфейса Citect имеет библиотеки простых графических объектов (примитивов): линии, фигуры, точечные изображения и пр., а также технологических символов: механизмы, резервуары, насосы и т.д. После разработки мнемосхемы процесса или его части можно разработанные объекты объединить в группу, в так называемый джин, и сохранить для дальнейшего использования в библиотеке джинов. Затем джин может использоваться как единый объект: перемещаться, копироваться и т.д. Созданное с помощью джинов динамическое окно с переменными называется суперджин. Алармы (Аlarms) передаются оператору в специализированных окнахстраницах или через анимируемые графические объекты (например,

изменение цвета лампы с зеленого на красный). В Citect различают 4 типа алармов: - дискретные алармы, возникающие при изменении состояния дискретного сигнала (с 0 на 1 или наоборот); - аналоговые алармы, когда аналоговые величины (или скорость их изменения) выходят за пределы заданных значений; - алармы с метками времени – для регистрации сообщений с точностью до нескольких мс; - составные алармы, возникающие в результате комбинации событий. Также в Citect имеются встроенные аппаратно-диагностические алармы, которые всегда отображаются на отдельном дисплее алармов. Тренды (Trends) формируются независимо от хода процесса, не влияя на целостность данных. Частота выборки может изменяться от 10 мс до 24 ч. Тренд в Citect – это любой производственный параметр: температура, давление и т.д., а также оценка работы устройства, производительность и пр. В каждом тренде могут отображаться несколько переменных. Отчеты (Reports) – это документ, отражающий некоторые производственные показатели процесса или предприятия в целом. Отчеты могут генерироваться в виде форматированного текста, накапливаемой информации, результатов вычислений и т.д. Отчеты могут выводиться на экран, на печать или сохраняться на диске. Citect допускает резервирование сервера отчетов, при этом отчет при отсутствии отказов всегда выдается основным сервером. SCADA-система Citect оперирует двумя языками программирования: Cicode и CitectVBA. Cicode включает более 1000 функций, поддерживает операторы управления алармами, трендами, коммуникационными портами и т.д. CitectVBA (начиная с версии v5.40), занимая объем менее 400 Кб, представляет собой многопоточный, интегрированный в ядро Citect язык программирования. CitectVBA обеспечивает полную поддержку ActiveX объектов, переменных Citect и полностью совместим с Microsoft VBA 6.0. Для связи с бизнес-уровнем выпущен пакет Plant2Solution. При этом приложение Plant2SQL обеспечивает доступ к технологическим данным, Plant2Net (Plant2Web) – доступ через Интернет, а Plant2Pocet обеспечивает беспроводную приемопередачу данных (вход по паролю). SCADA-система IMAGE («Numpha Soft», Финляндия-Россия). Пакет работает под управлением ОС Windows 95/98/NT и находит применение для распределенных систем управления в горнометаллургической промышленности, энергетике и др. IMAGE состоит из двух основных частей: редактора интерфейса и исполняемого модуля. Редактор интерфейса предоставляет в распоряжение разработчика панель инструментов, с помощью которой создаются рабочие окна (операторский интерфейс). Имеются также средства управления внутренней БД.

Переменные из БД связаны с соответствующими динамическими элементами изображения, с одной стороны, и программой контроллера – с другой. В графический редактор встроена система со следующими графическими элементами: прямоугольник, линия, окружность, эллипс, текст, картинки в формате ВМР и др. Имеются широкие возможности анимации объектов (движение, заполнение, вращение, изменение цвета и т.д.). БД реального времени поддерживает переменные целые, с плавающей запятой, строковые. Простой доступ к значениям переменных через стандартный DDE-протокол позволяет динамически обмениваться данными с др. приложениями, например Excel, Word и др. Для связи с др. задачами сети используется протокол NetDDE. IMAGE позволяет вести архивы в виде многоуровневой файловой системы. Файлы хранятся в формате dBase или ASCII. Важной особенностью пакета является наличие блока калькуляции пользователя и языка ImageCale. Данный язык позволяет производить вычисления и управление объектом, используя переменные из БД. Пакет IMAGE имеет в своем составе драйверы DDE многих ПЛК. Имеется инструмент создания собственных драйверов пользователя. Таким образом, постоянная поддержка пользователей пакета, его полная русификация, невысокая стоимость при достаточных ресурсах определяют широкое применение пакета в промышленности. MasterSCADA («ИнСАТ», Россия). Пакет MasterSCADA рекомендуется использовать на компьютерах с ОС Windows 2000/NT SP6/ХР. В структуру пакета заложены основные принципы: единая среда разработки, раздельное конфигурирование структуры АСУ ТП и логической структуры объектов, объектный подход и открытость интерфейсов. MasterSCADA имеет единую среду разработки, т.е. обеспечивается единство программирования SCADA/HMI и контроллеров (SoftLogic). Все функции системы разработки сосредоточены в единственном окне. Имеются дерево объектов, отображающее технологическую иерархию объектов, и дерево системы, отображающее техническую структуру системы. Все объекты имеют свойства, документы (окна, тренды) и позволяют производить действия с документами и переменными. Методом перетаскивания в документ может быть встроен рисунок. Для создания графических изображений имеется обширная библиотека технологических элементов, объемные трубопроводы, встроенный инструмент создания мультипликации.

Пакет имеет более 150 функций и функциональных блоков для проектирования систем управления, допускает формульные вычисления значений параметров и событий, создание текущих и архивных трендов и их экспорт во внешние базы данных. Также имеется гибкая система создания алармов, автоматическое формирование сообщений и др. функции. Система поддерживает стандарт ОРС, технологию ActiveX, допускает встраивание любых внешних программ в оболочку MasterSCADA, экспорт проекта и всех документов в формат HTML, экспорт архивов и журналов в БД, создание отчетов в MS Excel. MasterSCADA имеет учебник, содержащий порядок и примеры разработки проекта. SCADA-система VNS («ИнСАТ», Россия). Пакет программ VNS (VTC Next Step) предназначен для разработки операторских станций в распределенных системах управления. VNS поддерживает работу с контроллерами «Ломиконт», «Ремиконт-130», ТСМ51, MFC, Ш-711, Autolog, MicroPC, DEP и др. Пакет VNS выполняет следующие функции: -отображение графических мнемосхем с широкими возможностями динамизации элементов и создания библиотек символов; -оперативное управление процессом с помощью команд с клавиатуры, мыши, трекбола или сенсорного экрана, включая контроль действий оператора и защиту от несанкционированного доступа; -вывод на экран и регистрацию текстовых сообщений; -отображение исторических трендов длительностью до года; -печать отчетов по времени, событию и вызову; -обмен данными и файлами по сети, создание архива на сервере; -обработка переменных по свыше 100 алгоритмам; -возможность расширения пакета собственными алгоритмами, программами, драйверами и библиотеками символов. -Технические характеристики пакета VNS: -Минимальный период опроса - 0,2 с; -Число элементов мнемосхемы - 1200; -Число мнемосхем - не ограничено; -Число узлов сети - 255; число контроллеров на узел сети – 250; число параметров на узел сети – 4000; -Число отчетов, сообщений - 4000. SCADA-система КРУГ-2000 («КРУГ», Россия). КРУГ-2000 является открытой SCADA-системой с поддержкой международных стандартов Fast Ethernet, CAN, DeviceNet, Modbus, RS232, RS-485, UDP, TCP/IP, COM, DCOM, OPC.

Пакет имеет единую, целостную базу данных системы, сетевую загрузку ПО контроллеров, поддержку стандарта IEC 61131-3. Модульное построение среды разработки и среды исполнения (Run-time) серверов, станций и контроллеров позволяет оптимизировать выбор аппаратных средств и снизить стоимость технического обеспечения системы. В состав среды разработки входят генератор базы данных, генератор динамики, среда разработки программ пользователя на технологическом языке КРУГОЛ-61131 (на базе языков FBD и ST). В состав среды исполнения входят сервер БД, сервер ввода-вывода, сервер архива, сервер печати, 2-мониторный менеджер. Поддерживаются ОС QNX, Linux, DOS. SCADA-пакет имеет объектно-ориентированный графический редактор, библиотеку стандартных графических символов и сложных графических объектов, возможности анимации объектов, печати и архивации отчетов. Создание статических мнемосхем осуществляется с помощью графического редактора ГРЕК, динамически изменяющихся элементов мнемосхем с помощью редактора ДИНАР. Работа с трендами: возможность масштабирования трендов, одновременный вывод исторических и трендов РВ, дискретизация до 100 мс. Возможна организация алармов по скорости изменения сигнала и по отклонению. Имеется возможность задания девяти уровней приоритетов. Пакет предусматривает возможность его связи с контроллерами TREI-05 и др., а также с системами верхнего уровня по сетям Novell, Ethernet. SCADA-система MOSCAD («Motorola», США). Система MOSCAD (Motorola SCADA) состоит из систем верхнего и нижнего уровней. Система верхнего уровня базируется на ОС PB QNX. Программы верхнего уровня также могут разрабатываться на основе пакета FIX DMAX фирмы Intellution, который поставляется фирмой Motorola в качестве стандартного пакета для системы MOSCAD. Прикладные программы нижнего уровня создаются с помощью многозадачного схемографического языка ToolBox, который обеспечивает работу с арифметическими и логическими функциями, а также поддерживает специализированные функции П-, ПИ- и ПИДрегулирования. MOSCAD ToolBox – это набор мощных инструментальных программных средств для разработки прикладных программ, компоновки и диагностики системы MOSCAD. Программы MOSCAD Toolbox работают на платформе РС Pentium под управлением ОС Windows 95/98/NТ. Прикладные программы могут быть написаны на языке программирования С или на языке LD по стандарту IEC 61131-3. Прикладная программа загружается во Flash-память контроллера MOSCAD RTU. Контроллеры MOSCAD RTU (Remout Terminal Unit –

удаленное терминальное устройство) имеют модульную архитектуру. Модуль центрального процессора построен на базе 32-разрядного микропроцессора МС68302. Все модули УСО соединяются с базовым CPU путем монтажа в разъемы пассивной платы на рейках RTU. Используются дискретные модули ввода (16DI, 16ас, 32dcDI и 60DI), вывода (16DО, 32DО), аналоговые модули ввода (8АI) и вывода (4АO), а также ряд специализированных модулей. Программа конфигурации контроллера RTU обеспечивает автоматические назначения модулей и портов связи. Все назначения имеют вид таблицы, каждый ряд которой определяет устройство, а каждая колонка – относящиеся к этому устройству данные. Значениями таблицы являются конкретные данные, например, время включения насоса, число включаемых насосов или др. После создания БД RTU задаются режимы связи, контроля и управления. Число одновременно выполняемых независимых процессов – не более восьми. MOSCAD RTU обеспечивает работу в сети обмена данными для с использованием различных видов связи, но базовым видом связи является радиосвязь. Используется широкий диапазон частот обычных и транкинговых (с автоматическим поиском свободного канала) радиоканалов, а также микроволновые каналы. Обмен данными осуществляется по протоколу MDCL (Motorola Data Link Communication) фирмы Motorola стандарту OSI/ISO. MDCL поддерживает интегрированные сети с проводными и беспроводными каналами связи, синхронную и асинхронную передачи, связь RTU-RTU, точную временную синхронизацию и передачу сообщений с разрешением до 2 мс. MOSCAD RTU обеспечивает работу в дуплексном и полудуплексном режимах работы со скоростью до 2400 бод, а также связь по обычным двух- или четырехпроводным линиям связи с помощью модемов. Исполнение корпуса контроллера – 3- и 6-модульное. Модификация контроллера MOSCAD-L на 3 модуля представляет собой более дешевый контроллер для ограниченного применения. Все контроллеры имеют последовательные порты RS232 и RS-485. SCADA-система СКАТ-М (АО «Центрпрограммсистем», Россия). СКАТ-М представляет собой систему, базирующуюся на PC-совместимых компьютерах с ОС Windows 3.х/95/98. Характеристика системы: - Число аналоговых и дискретных каналов - 32767; - Интерфейсы связи с контроллерами: ИРПС, RS-485; - Интерфейсы связи операторских станций: Novell; - Поддерживаемые протоколы связи с контроллерами: Modbus (контроллеры ломиконт, ремиконт);

- Число станций в сетях Modbus – до 2х255, Novell - до 64, ИРПС - до 16; - Максимальное число одновременно доступных контуров регулирования - до 16, элементов оборудования - до 64; - Поддерживаемые архивы: аварийных сигналов, параметров, действий оператора; SCADA-система используется для разработки проектов АСУ ТП в горно-перерабатывающей промышленности, производстве минеральных удобрений, нефтепереработке, металлургии и в др. отраслях. SCADA-система КАСКАД (АО «Элара», Россия). Программный пакет КАСКАД ориентирован на применение в металлургической, химической, нефтехимической, газовой и др. отраслях промышленности. Пакет функционирует под управлением ОС Windows 98/NТ/2000 с поддержкой стандарта ОРС и использованием клиент-серверной технологии. В состав системы КАСКАД входят серверные и клиентские модули, подсистема управления качеством процессов производства. Серверные модули: · Сервер доступа к данным (СДД); · Интерфейсные модули доступа к данным; · Модули расширения сервера доступа к данным. Сервер доступа к данным является ядром клиент-серверной технологии SCADA-системы КАСКАД и может выступать как ОРСклиент. СДД осуществляет прием, обработку и накопление данных, ведение базы данных, анализ и передачу управляющих воздействий. Накопление данных ведется в виде SQL-базы данных под управлением сервера InterBase 6. Клиентские приложения по протоколу ТСР/IР обращаются за данными к СДД или непосредственно к SQL. Интерфейсные модули доступа к данным служат для связи с источниками данных (контроллерами). Эти модули представляют собой динамические библиотеки DLL. Спецификация на модули доступа к данным является открытой. Имеются готовые модули доступа к данным для контроллеров «Ремиконт-130», «Контраст РК131/300», КР300, АDАМ4000, АDАМ-5000, ТКМ-52, МФК и др. Обработка информации по алгоритмам пользователя и ведение базы регистрации параметров реализуются с помощью модулей расширения СДД. Так же, как и модули доступа, модули расширения представляют собой динамические библиотеки DLL. Имеются следующие модули расширения: модуль обработки параметров по алгоритмам пользователя, модуль регистрации параметров, модуль обработки клиентских запросов и модуль адаптивного управления.

Клиентские модули предназначены для предоставления пользователю информации, формируемой СДД. Модули системы КАСКАД работают независимо друг от друга, поэтому можно одновременно формировать отчет, анализировать данные и контролировать процесс. Для разграничения уровней доступа к информации введена система паролей. Для визуального контроля за процессом используется «Диалоговая среда контроля и управления» (ДСКУ). Данные параметров отображаются на мнемосхемах. Настройка мнемосхем производится во встроенном редакторе. Модуль просмотра исторических данных технологического процесса предназначен для просмотра истории процесса, трендов. Возможен просмотр как текущих, так и исторических данных. Модуль формирования отчетной документации позволяет создавать отчеты различного формата за определенный период времени. Формирование отчетов производится в формате и под управлением Microsoft Excel. Модуль звуковой сигнализации служит для информирования пользователя об отклонении установленных режимов. Модуль просмотра архива событий осуществляет отображение событий, генерируемых различными приложениями SCADA-системы. Регистрация событий ведется в базе данных SQL-сервера InterBase 6. Модуль публикации в Web предоставляет доступ к технологической информации средствами Internet и Ethernet на базе Web-браузера с поддержкой технологии Java. Подсистема управления качеством процессов производства осуществляет прогнозирование значений параметров технологического процесса. Прогнозирование проводится на основе обработки в режиме реального времени статистической информации о процессе (используются методы регрессионного анализа и методы исследования частотных характеристик). Назначение и цели подсистемы – статистическое управление (SPC) качеством процесса производства. VIORD microSCADA («ФИОРД», Россия). VIORD предназначен для разработки ПО АСУ ТП малого и среднего масштаба. VIORD работает под управлением ОС PB QNX в графической среде Photon microGUI (QNX Software System Ltd., Канада). Пакет имеет средства, обеспечивающие взаимодействие с др. аппаратно-программными платформами (доступ через Internet или локальные сети по протоколам ТСР/IР, DDE. НТТР). С помощью VIORD можно создавать масштабируемые и открытые проекты, имеющие от нескольких десятков до нескольких тысяч каналов. Разработка проекта осуществляется с помощью построителя проектов VIORD Builder. Разработка проекта сводится к компоновке описания

проекта путем добавления, исключения или переопределения необходимых ресурсов (устройств) и процессов из имеющихся в пакете доступных средств и настройке соответствующих атрибутов с помощью дружественного интерфейса. Для создания проекта необходимо сформировать виртуальные устройства ввода-вывода (Virtual Input Output Real time Devices) и назначить номера сетевых узлов. Виртуальные устройства являются независимыми и имеют описание входов и выходов. Управляет виртуальными устройствами ввода-вывода центральный процесс VIORD Kernel. Для определения логики работы системы в целом используются задания (Tasks), в которых определяются режимы опроса групп каналов ввода виртуальных устройств (Scan), алгоритмы анализа и преобразования данных (Action), режимы вывода данных, алгоритмы обработки предельных ситуаций (Exception) – тревоги, сбои, ошибки системы. Виртуальное устройство ввода-вывода представляет собой процесс, настроенный на выполнение определенных функций: получение, анализ и отображение данных на экране дисплея; получение данных и команд от оператора: вывод данных на исполнительные механизмы системы; регистрация аварийных ситуаций; обеспечение взаимодействия с др. платформами и пр. Каждое виртуальное устройство может иметь виртуальные аналоговые и дискретные каналы ввода-вывода из среды VIORD. В процессе настройки виртуальных каналов определяются источник (получатель) данных, функции преобразования и статистической обработки данных, формы отображения, пути передачи данных. Все ограничения по использованию VIORD и стандартного оборудования определяются степенью поддержки этого оборудования в операционных системах QNX и Photon microGUI. SCADA-система Phocus («Jade Software», США). Phocus разработан для удовлетворения всех основных требований задач мониторинга процесса и управления системой. Этот программный пакет для управления, SCADA и НМI обладает гибкостью и масштабируемостью, что позволяет встраивать его в малоресурсные системы. Пакет работает под управлением ОС QNX. Пользовательский интерфейс Phocus разработан для работы под графической оболочкой Photon microGUI фирмы QNX Software System Ltd. Пакет имеет резидентный в памяти сервер распределенной по сети базы данных реального времени Opus с возможностью онлайновой разработки системы. Сервер имеет структурированную распределенную архитектуру, которая позволяет пользователям создавать записи, которые можно сгруппировать по определенным признакам. Для идентификации в распределенной сети сервер, группа и запись имеют

двенадцатисимвольный тэг и тип записи. Стандартные типы записей определяют уровень состояния, приоритет и обработку тревог, массив данных общего назначения и хранения текстовых данных. Средства работы с предысторией в Opus представляют собой две задачи – HistWriter и HistReader. Opus информирует HistWriter о записях, которые должны сохраняться. Сервис HistReader необходим для обслуживания запросов данных предыстории. Opus также включает в себя менеджер управления (Control Manager), который регистрирует команды пользователя и передает их на сервер ввода-вывода и далее на исполнительные устройства. Сервер Opus предоставляет пользователю один из шести уровней доступа – суперпользователь, инженер, менеджер, диспетчер, оператор и только просмотр. Построитель пользовательских мнемосхем позволяет создавать мнемосхемы с использованием стандартных объектов и групп. Построитель включает много основных функций для рисования, таких как прямоугольники, окружности, многоугольники и др. Phocus имеет клиент-серверную архитектуру. Клиентские места в сети LAN/WAN подключаются по протоколу QNX или по ТСР/IР. SCADA-система МИКСИС («МИФИ», Россия). Многофункциональный инструментальный комплекс создания интегрированных систем (МИКСИС) предназначен для построения малых, средних и больших распределенных систем управления для IВМ PCсовместимых ПЭВМ. МИКСИС функционирует при поддержке ОС MS DOS и Windows 95/98/МЕ/NТ/2000/ХР и Linux. МИКСИС использует для построения АСУ ТП протоколы IРХ/SРХ или ТСР/IР, обмен данными между локальными сетями на основе мостов и маршрутизаторов. Для построения операторских интерфейсов с использованием растровой графики применяются графические библиотеки с поддержкой стандартных графических форматов. МИКСИС предусматривает возможности резервирования контроллеров и операторских станций, а также интегрирование с системами верхнего уровня по стандартным интерфейсам DDE и ОРС (клиент и сервер), SQL и ОСI (ORACLE) и АРI. Комплекс МИКСИС поддерживает интернет-технологии – любой узел сети под управлением ОС Windows или Linux может работать как Webсервер. Кроме того, осуществляется поддержка большого числа контроллеров, таких как ломиконт, ремиконт, Ш-711, ТКМ-51, МФК, ЭК2000, DЕР и Decont, SLC, АDАМ, Simatic-S7 и др. Среди сетевых протоколов поддерживаются Modbus и Profibus. Общее число SCADAсистем постоянно увеличивается. Поэтому за рамками учебного пособия осталось рассмотрение ряда систем, сведения о которых читатели могут

найти на сайтах фирм-производителей, а также в публикациях российских журналов «Приборы и системы управления», «Промышленные АСУ и контроллеры», «Мир компьютерной автоматизации», «Автоматизация в промышленности» и др. 2.8.5. SCADA-системы, встраиваемые в ПЛК Встраивание (портирование) SCADA-системы в РС-совместимые контроллеры имеет ряд преимуществ, особенно для управления удаленными объектами. К ним относятся удобство программирования контроллеров по стандарту IЕС 61131-3, визуализация процесса с формированием трендов и алармов, составление отчетов и архивов и др. Обмен данными между контроллерами и удаленными клиентами может осуществляться через коммутируемые телефонные сети, на основе GSМсвязи или через Internet. В качестве примера портируемых в контроллер SCADA-систем рассмотрим SCADA-систему Trace Mode фирмы AdAstra. В 1995 г. в SCADA-систему Тrасе Моdе 4.20 были введены функции программирования контроллеров и впервые выпущена специальная исполнительная система микроМРВ Тrасе Моdе, ориентированная на программирование контроллеров (МРВ – монитор реального времени). МикроМРВ Тrасе Моdе размещается во Flash-памяти РС-контроллера и осуществляет сбор и обработку данных, программно-логическое управление технологическим процессом, регулирование параметров по различным законам (ПИ, ПИД, ПДД, ШИМ, позиционный и нечеткий регуляторы и др.). Редактор микроТrасе Моdе содержит библиотеку из 150 алгоритмов обработки информации и регулирования, использует технологию автопостроения проекта. Также микроМРВ Тrасе Моdе формирует локальные архивы. МикроМРВ – это система, основанная на ядре реального времени Тrасе Моdе. Время обработки контура регулирования в микроМРВ составляет 70 мкс. МикроМРВ Тrасе Моdе имеет встроенную поддержку контроллеров и плат УСО (МФК, I-7000 и др.), автоматически контролирует их работоспособность, а также имеет мощные функции резервирования сетевых комплексов на базе последовательного интерфейса, полевых шин Profibus, САNВus, BitBus и др., а также локальных сетей Ethernet, Аrсnet, Token Ring. В микроМРВ поддерживается процедура горячего рестарта (поддержка watchdog таймера) и режим периодического сохранения состояния для безударного рестарта в случае зависания системы. Все данные с контроллера принимаются SCADA-системой операторской станции по коммутируемым телефонным сетям (версия МiсrоТrасе Моdе 5

Modem+) или по сотовой связи по стандарту GSМ (версия МiсrоТrасе Моdе 5 GSМ+). Обмен данными через прямые модемные соединения осуществляется по протоколу М-LINК. МiсrоТrасе Моdе 5 Modem+ представляет собой специальный исполнительный модуль для сбора данных и управления удаленными объектами через коммутируемую телефонную сеть. Мiсrо Тrасе Моdе 5 Modem+ в PC-контроллерах собирает данные и передает их по телефону в виде SМS-сообщений (Short Message Service) в МРВ Тrасе Моdе, находящуюся в операторской станции верхнего уровня системы. Доставка каждого сообщения контролируется. Число удаленных контроллеров не ограничено. МРВ Тrасе Моdе – это мощный сервер реального времени модульной структуры с числом каналов 128/1024/32000x16/64000x16. Для МРВ существуют встроенные драйверы к более чем 100 контроллерам и УСО. Минимальное время реакции МРВ составляет не более 1 мс. МiсrоТrасе Моdе 5 GSМ+ предназначен для программирования контроллеров с целью обмена данными по сети GSМ. Программа содержит полную инструментальную систему и исполнительные модули с поддержкой обмена через GSM/SМS. Из контроллеров, в которых установлена SCADA-система Тrасе Моdе, отметим: · Контроллер «Лагуна 3140» (Lagoon 3140) компании ICOS со встроенным МРВ и ОЕМ-версией интегрированной SCADA- и SoftLogicсистемы Тrасе Моdе 5. · Контроллер «Ломиконт» с системой Тrасе Моdе, «Ломиконт ТМ» Чебоксарского завода ОАО Электроприбор. · Контроллер «Теконик» АО «Текон» со SCADA-системой Тrасе Моdе 5.07. Благодаря микроМРВ Тrасе Моdе контроллер может передавать через GSМ-модем данные РВ и тревожные сообщения на серверы РВ Тrасе Моdе в виде SMS-сообщений или напрямую, а также принимать и исполнять управляющие команды. ПО контроллера соответствует стандарту IЕС 61131-3, содержит библиотеку из более чем 150 алгоритмов управления, а также встроенный отладчик (системное ПО, исполнительный модуль и прикладное ПО размещаются во Flash-памяти процессорного модуля контроллера и загружаются в ОЗУ контроллера при его включении). · Модули серий I-7000, ADАМ и микроРС, MIС 2000 компании Advantech, контроллеры КРУИЗ, ТRЕI и др. Рассматриваются возможности портирования в контроллеры и др. SCADA-систем, например MasterSCADA. 2.8.6. ОРС-стандарт взаимодействия SCADA-систем и ПЛК

Стандарт ОРС (ОLЕ for Process Control) – это стандарт взаимодействия между программными компонентами системы сбора данных и управления, основанный на объектной модели СОM/DСОМ фирмы Microsoft. Стандарт ОРС приходит на смену DDЕ-обмена (Dynamic Date Exchange) динамического обмена данными. СОМ (Component Object Model) - модель многокомпонентных объектов, позволяющая приложению вызывать те или иные функции объекта, находящегося в адресном пространстве приложения. Если объект распределен по сети или находится в другой программе того же компьютера, то мы имеем распределенный СОМ (Distributed СОМ) или DСОМ. Таким образом, DСОМ является, по сути, сетевым расширением СОМ. ОРС-технология создана консорциумом ОРС Foundation, куда входят более 170 ведущих производителей аппаратно-программных средств промышленной автоматизации. Среди этих фирм Siemens, FisherRosemount, Honeywell, Rockwell, Iconics и др. Деятельность ОРС Foundation осуществляется в рабочих группах по направлениям (ОРС Date Access Working Group, OPC Alarm and Events Working Group OPC Historical Working Group, OPC Security Working Group, OPC Windows CE Working Group и др.). ОРС-взаимодействие основано на клиент-серверной архитектуре. В качестве ОРС-клиента выступает, например, SCADA, а в качестве ОРСсервера – контроллеры, УСО и пр. Основные производители SCADAсистем поддерживают технологию ОРС. Это SCADA-системы Genesis32 (фирма Iconics), FIX Dynamics (фирма Intellution), InTouch (фирма Wonderware) и др. При этом все компоненты SCADA-систем могут взаимодействовать между собой через ОРС, выполняя функции в зависимости от задачи либо сервера, либо клиента. ОРС-серверы разрабатываются и поставляются производителями контроллеров и др. аппаратуры или поставщиками SCADA-систем. Стандарт ОРС включает 3 основных спецификации: 1. Доступ к данным реального времени (Date Access) или стандарт DА. 2. Обработка тревог и событий (Alarm&Events) или стандарт А&Е. 3. Доступ к историческим данным (Historical Data Access) или стандарт НDА. ОРС-серверы физических устройств (контроллеров) являются, как правило, серверами данных (Data Access Servers). Сервер тревог по состоянию тега, полученного от сервера данных, оповещает клиентов, посылая сигнал тревоги, и получает от клиентов подтверждение полученного сигнала. Серверы исторических данных также используют данные, получаемые в реалном времени от сервера данных, и архивируют их, предоставляя

затем эти данные др. приложениям для построения, например, трендов, гистограмм или таблиц. Помимо этих основных спецификаций стандарта ОРС существует и ряд других спецификаций. Так, отдельный класс ОРС-серверов представляют специализированные ОРС-серверы конкретных аппаратных устройств [8]. Рассмотрим работу ОРС-сервера в клиент-серверной архитектуре. При использовании СОМ/DСОМ технологии реализуется информационный обмен между СОМ-объектами. Вызов любой функции объекта осуществляется через СОМ-интерфейс, представляющий определенную структуру памяти, содержащую массив указателей на все функции интерфейса. Этот вызов реализуется через агента-посредника, так называемого Proxy/Stab DLL, представляющего функции объекта. Модуль Proxy («заместитель») принадлежит клиенту, а модуль Stab (заглушка) расположен в сервере. Proxy реагирует на запрос клиента, кодируя и пакетируя параметры функции, после чего передает их по каналу серверу. На стороне сервера модуль Stab распаковывает вызов клиента и передает его серверу, заставляя реальный объект выполнить заданную функцию. Результат выполнения функции возвращается обратно приложениюклиенту. Этот процесс получил название «маршалинг» (marshalingтранспортировка). На рис. 2.41 представлена последовательность действий при клиент-серверной передаче данных (цифрами показана временная последовательность передачи данных).

Рис. 2.41. Работа ОРС-сервера в клиент-серверной архитектуре

Основной спецификацией ОРС является спецификация Data Access (DА). Базовым понятием спецификации является элемент данных

(ОРСItem-объект), т.е. фактически один из параметров технологического процесса, имеющий значение (Data Value), время последнего обновления (Time Stamp) и признак качества (достоверности) значения (Quality). Следующим вверх по иерархии является понятие группы элементов (ОРСGroup-объект). Создается ОРС-сервером по требованию клиента, который задает частоту обновления данных этой группы. Для каждого клиента сервером создается своя группа. Элементы в группе имеют имена, являющиеся, по сути, именами реальных переменных (тегов). Имена тегов клиентом запрашиваются по специальному интерфейсу IOPCBrowseServerAdressSpace. На верхней ступени иерархии находится сам ОРСServer-объект. Для подключения ОРС-сервера к реальному объекту ОРCItem-объекты содержат ссылки на созданные ОРС-сервером теги. Пример полного имени тега: Контроллер_1. Модуль_2. Аналоговый вход_1. Обмен данными между клиентом и ОРС-сервером может быть в трех режимах: синхронный режим чтения/записи данных, асинхронный режим чтения/записи данных, режим подписки (только чтение данных). При синхронном режиме ОРС-клиент запрашивает у ОРС-сервера интересующие его переменные и находится в режиме ожидания. После выполнения запроса ОРС-клиент считывает значения переменных. При асинхронном режиме обмена ОРС-клиент запрашивает у ОРСсервера значения переменных с заданной частотой обновления данных, определенной при создании ОРСGroup, и продолжает работать. После выполнения запроса ОРС-сервер сам оповещает об этом ОРС-клиента. Этот режим является наиболее распространенным в силу экономии вычислительных ресурсов и времени. Режим подписки аналогичен асинхронному режиму с той лишь разницей, что ОРС-сервер посылает ОРС-клиенту уведомление лишь в случае изменения значений переменных. Передача этих данных осуществляется единым блоком с целью снижения временных затрат, что особенно важно при обмене по сети. Одной из основных характеристик ОРС-сервера является его производительность. Известны три вида ОРС-серверов в зависимости от их местонахождения: § Внутризадачный ОРС-сервер (InProcess Server), находящийся в адресном пространстве ОРС-клиента. Оформлен, как динамическая библиотека (DLL), а не как самостоятельная программа. § Локальный ОРС-сервер (Local Server) – сервер работает в отдельной самостоятельной программе того же компьютера, в котором расположен ОРС-клиент. § Удаленный ОРС-сервер (Remote Server) – сервер расположен на другом (удаленном по сети) компьютере.

Естественно, производительность внутризадачного сервера выше локального, а последнего – выше, чем удаленного. Однако другим важным фактором, влияющим на производительность ОРС-сервера, является возможность группировки данных, отправляемых ОРС-клиентам. Так, по данным Web-узла ОРС Foundation (www.opcfoundation.org) предельная пропускная способность внутризадачного сервера (процессор Pentium 233 МГц) составляет до 1 млн элементов ОРС в секунду, что является вполне достаточным для подавляющего числа процессов. Пропускная способность локального ОРС-сервера составляет от 3000 до 60000 элементов в секунду. Для удаленного ОРС-сервера по сети Ethernet 10 Base-Т пропускная способность колеблется от 330 до 7000 элементов в секунду. Типовая структура ОРС-сервера с открытой архитектурой представлена на рис. 2.42. Открытая архитектура ОРС-сервера предусматривает возможность его работы (после небольшой доработки) с любым аппаратным или программным средством, поддерживающим технологию ОРС. Чтение данных с устройств ввода или прямо из кэш-памяти данных осуществляется с помощью функции Read. В свою очередь функция ReadFromDevices опрашивает устройство ввода и передает данные ОРСклиенту. Функция Write служит для записи данных ОРС-клиента на устройство вывода и/или в кэш-память данных. Функции обновления устройства ввода, кэш-памяти данных и ОРС-клиентов осуществляются с частотой, заданной клиентом при формировании ОРСGroup.

Рис. 2.42. Типовая структура ОРС-сервера с открытой архитектурой

Таким образом, разработчик АСУ ТП при выборе SCADA-системы, контроллеров и др. аппаратуры, поддерживающих технологию ОРС, может рассчитывать на взаимопонимание компонентов системы. К сожалению, при наличии в системе аппаратных средств др. фирм, интерфейсы которых не поддерживают ОРС-взаимодействие, использование их в сетевом обмене данными затруднено. В этом случае требуется разработка специализированных ОРС-серверов, обладающих свойствами открытости. При этом разработчик (пользователь) должен написать динамическую библиотеку (DLL), содержащую полный код, необходимый для управления конкретным устройством, либо обеспечить связь с соответствующей DLL, поставляемой производителем этого устройства. Специализированный ОРС-сервер разрабатывается на основе программной заготовки, созданной некоторыми фирмами. Так, фирма Iconics, изначально спроектировавшая SCADA-систему Genesis32 на основе ОРС-технологии, предлагает ОРС ToolWorX, оформленный в виде дополнительного мастера в Wizard, который встроен в среду разработки Visual C++. Мастер генерирует проект, в котором требуется выполнить модификацию фрагментов кода, связанных со спецификой обслуживаемого устройства нижнего уровня. Так, на базе Iconics ToolWorX создан универсальный ОРС-сервер фирмы Fastwel – Universal Server. Этот ОРС-сервер предусматривает подключение динамической библиотеки (DLL), написанной пользователем для конкретного устройства. Недостатком ОРС-сервера служит то, что клиент получает данные из внутреннего буфера DLL, а не непосредственно от устройства ввода, что служит причиной некоторой временной задержки обмена данными. Эти недостатки устраняются в предлагаемых структурах ОРСсерверов, описанных в работе [13]. Для разработки ОРС-сервера в АСУ ТП, использующей SCADAсистему FIX dynamics, целесообразно использовать пакет для разработки ОРС-приложений фирмы Intellution. 2.8.7. Методика выбора ПО различных производителей Проблема выбора той или иной системы для программирования ПЛК [24] обычно решается сама при выборе пользователем конкретного контроллера. Практически каждый производитель ПЛК поставляет в комплекте с оборудованием программное обеспечение, позволяющее программировать данный контроллер. Такое программное обеспечение чаще всего применимо только к контроллерам конкретного производителя, а иногда и только к конкретному типу контроллера. Например, в рамках

спектра продукции компании Shneider Electric существует целый ряд программных пакетов: система PL7 предназначена для программирования контроллеров TSX Micro и TSX Premium, пакет Concept – для TSX Momentum и TSX Quantum, также существуют свои системы для программирования контроллеров Zelio и Twido. Некоторые компании придерживаются единой системы программирования своих контроллеров. Например, все контроллеры компании GE Fanuc программируются при помощи единого пакета VersaPro. При этом программирование всех контроллеров данного производителя при помощи единого пакета в данном случае не является наиболее весомым достоинством. Поскольку в настоящее время подавляющее большинство контроллеров (исключая РС-base) программируются на языках стандарта IЕС 61131-3, переход от одного программного пакета к другому обычно не требует значительных затрат времени на обучение. Основным критерием в данном случае является наличие в программном обеспечении данного производителя наибольшего количества языков стандарта IЕС 61131-3. Так, система PL7 позволяет программировать контроллеры на четырех языках (исключая FBD), Concept – на всех пяти, с возможностью написания различных управляющих секций в рамках одного проекта на любом из языков, наиболее подходящем для данной задачи, тогда как единая система компании GE Fanuc VersaPro – всего на двух (IL и LD), что может существенно осложнить разработку крупных приложений. Ввиду вышеизложенного можно заключить, что удобство того или иного программного пакета может играть заметную роль только на стадии выбора производителя оборудования для решения всей задачи автоматизации в комплексе. В том случае, если марка контроллера уже определена, программное обеспечение для его программирования поставляется в комплекте и существенных альтернатив в данном случае нет. РС-base контроллеры в данном случае являются более гибкими с точки зрения выбора программного обеспечения. Так, программный пакет ISAGRAF позволяет программировать на языках стандарта IЕС 61131-3 достаточно большое количество контроллеров различных производителей. Более существенной задачей является выбор той или иной SCADAсистемы для реализации данного проекта. Рассмотрим основные показатели, определяющие выбор той или иной SCADA-системы. Заметим, что полнота набора требований определяется спецификой технологического процесса. 1. Максимальная гибкость, в том числе масштабируемость и открытость SCADA-пакета (поддержка механизма взаимодействия ОРС, основанного на объектной модели СОМ/DСОМ. др. стандартов).

2. Соответствие функциональным требованиям разрабатываемой АСУ ТП, высокие технические характеристики, поддержка аппаратных средств (контроллеров), т.е. способность SCADA-системы максимально удовлетворять требования пользователя. 3. Степень сложности и эффективности разработки ПО, затраты времени на разработку, инструментальные возможности разработки баз данных, качество графического редактора (палитра, тренды и пр.). 4. Качество и полнота документации, ее русификация, наличие помощи (help) и учебных пособий, удобный пользовательский интерфейс, наличие демоверсии, возможность сопровождения и обучения, процедура обновления приобретенного ПО и др. 5. Известность торговой марки, отзывы пользователей о работе SCADA-системы по данным эксплуатации на производстве. 6. Возможность интеграции с корпоративными системами верхнего уровня, в том числе возможность интеграции с продуктами смежного назначения – СУБД, бухгалтерскими и складскими программами, электронными таблицами и др. 7. Надежность, возможность работы на опасных производствах с большим числом контролируемых параметров, устойчивость к сбоям внешних компонентов системы и ошибочным действиям персонала. 8. Цена пакета и совокупная стоимость проекта, цена лицензии на исполнительные модули пакета (run-time модули). В этот показатель входят зависимость цены от числа тегов, при необходимости стоимость обучения, обновления и сопровождения пакета. Процедура лицензирования пакета косвенным образом влияет на выбор системы. Программный ключ в случае повреждения жесткого диска должен быть обновлен за пониженную плату. Поэтому защита системы электронным ключом более предпочтительна с точки зрения переноса продукта с одного компьютера на другой в режиме реального времени, хотя и налагает дополнительные требования сохранности ключа. Здесь же следует отметить и возможность взаимодействия SCADAсистемы с системами управления, предполагаемыми к установке или уже функционирующими на объекте. Большинство производителей SCADAсистем обеспечивают свои продукты драйверами, позволяющими им беспрепятственно вписываться в уже существующие системы управления, взаимодействуя с установленным оборудованием и программным обеспечением. На некоторых предприятиях та или иная SCADA-система принята в качестве корпоративного стандарта (например, Intouch на предприятиях Лукойл, iFix на ПО «Пикалевский глинозем», Trace Mode на комбинате «Североникель»), на других в системах управления различными процессами используются разные SCADA-системы. Чаще всего такая

картина присутствует на предприятиях, не имеющих единой информационной сети, автоматизацией отдельных участков которого занимаются различные структурные подразделения. В любом случае к выбору программного обеспечения (особенно SCADA-системы) для реализации АСУТП следует подходить с высокой степенью ответственности, поскольку зачастую решение одной конкретной задачи автоматизации на базе того или иного аппаратнопрограммного комплекса требует в дальнейшем придерживаться однажды сделанного выбора в рамках всего предприятия, существенно затрудняя переход на другое оборудование или программное обеспечение. 2.8.8. Промышленные сети контроллеров Промышленная сеть – это среда передачи данных, которая должна отвечать множеству разнообразных, зачастую противоречивых требований, набор стандартных протоколов обмена данными, позволяющими связать воедино оборудование различных производителей, а также обеспечить взаимодействие нижнего и верхнего уровней системы управления предприятием. Основные требования, предъявляемые к промышленной сети: 1. Высокая производительность. 2. Предсказуемость времени доставки информации. 3. Помехоустойчивость. 4. Доступность и простота организации физического канала передачи данных. 5. Максимально широкий сервис для приложений верхнего уровня. 6. Минимальная стоимость устройств аппаратурной реализации, особенно на уровне контроллеров. 7. Максимальный доступ к каналу с минимальным временем ожидания в очереди. 8. Возможность резервирования сети и сетевых устройств. Различают следующие типы сетей: ü локальные сети LAN (Local Area Networks) – сети, расположенные на ограниченной территории; ü городские сети MAN (Metropolitan Area Networks) – сети, предназначенные для обслуживания территории крупных городов (мегаполисов). Эти сети связывают локальные сети в масштабах города и обеспечивают их выход в глобальные сети; ü глобальные сети WAN (Wide Area Networks) – сети, объединяющие территориально удаленных пользователей на большой территории (за пределами городов).

К промышленным сетям вполне применимы результаты теоретических разработок в области коммуникационных сетей общего назначения, поэтому становятся вполне понятными ссылки на модель взаимодействия открытых систем OSI, принятую Международной организацией по стандартизации ISO. Вопросам рассмотрения протоколов, стандартов и интерфейсов сетей посвящено много работ [10, 62–66]. 2.8.8.1. Архитектура промышленных сетей Модель ISO/ОSI. В 70-х гг. XX в. технология аналоговой приборной связи 0(4)...20 мА стала стандартной, в результате чего производители контрольно-измерительной аппаратуры получили средство коммуникации, на основе которого их продукты можно было интегрировать в единые системы управления. С развитием цифровой технологии ситуация в этой области изменилась. Благодаря таким преимуществам, как экономичность решений, информативность, надежность и безопасность, наблюдается бурный переход от аналоговой технологии к цифровой. В 80-х гг. цифровая технология проникла на все уровни промышленного производства, начиная с офисов и кончая датчиками. При разработке стандартного цифрового протокола были поставлены следующие требования: · возможность подключения нескольких приборов к одной полевой шине; · возможность совместного функционирования приборов разных производителей; · равноправная связь между интеллектуальными приборами, подключенными к полевой шине; · расширение возможностей передачи данных по сравнению с аналоговой связью (увеличение производительности и скорости передачи). В 1994 г. организацией Fieldbus Foundation, объединяющей более 125 компаний, по согласованию с европейскими компаниями был введен стандарт Fielbus (IЕС-61158-2), включающий восемь подстандартов на сети Foundation Fieldbus, Control Net, Profibus, P-Net, Interbus и др. Естественно, возникла задача обмена данными между всеми уровнями технологического процесса. Таким образом, появились следующие понятия: - СIМ (Computer Integrated Manufacturing); - СIР (Computer Integrated Proccesing). Эти понятия, сформулированные в конце 80-х гг., формируют все технологические и организационные требования, необходимые для получения нового качества изделий. Самым существенным компонентом

модели СIМ/СIР является организация связи, а это, прежде всего, гарантия надежной регистрации событий, получения и обработки данных, своевременной выдачи управляющих воздействий. На каждом уровне технологического процесса происходит обработка специфических наборов данных. Такие требования, как скорость передачи данных, протоколы передачи, физические интерфейсы и т.д., управляют выбором того или иного сетевого решения при построении сложных распределенных систем. Гарантия совместной работы отдельных частей системы возможна лишь при использовании соответствующих стандартов связи между этими частями. Административный уровень системы управления производством сегодня представлен целым рядом протоколов, среди которых наиболее известны следующие: · Протокол автоматизации производства МАР 3.0 (Manufacturing Automation Protocol) фирмы General Motors. Протокол использует все семь уровней модели ОSI. На физическом уровне для передачи выделены три частотных диапазона в полосе 12 МГц со скоростью передачи 10 Мбит/с в каждом из диапазонов. В случае концепции полностью автоматизированного производства для каждого из уровней модели ОSI разработаны стандарты ISO (для 1-го уровня – ISО 8802/4, для 2-го – ISO 8802/2, для 3-го – ISO 8473 и т.д.). На 7-м используются производственные сообщения ММS по стандарту ISО 9506. · Протокол деятельности учреждения ТОР 3.0 (Technical Office Protocol) фирмы Boeing. Отличие от МАР 3.0 только на 1, 2 и 7-м уровнях. На физическом уровне скорость передачи составляет 4 Мбит/с по витой паре с топологией «кольцо» или 10 Мбит/с по коаксиальному кабелю с топологией «шина» (стандарты ISО 8802/3 и 8802/5 соответственно). На 7м уровне обеспечивается обмен электронной почтой, обработка учрежденческих документов, служба виртуального терминала (обмен программами ЭВМ) и др. При рассмотрении корпоративных сетей следует учитывать способ организации передачи данных. Сети могут быть основаны на выделенных (т.е. арендуемых) каналах, на коммутации каналов и коммутации пакетов. В сетях, основанных на коммутации каналов, определенное время тратится на передачу пакетов. Наибольшее применение находят сети с коммутацией пакетов (сети Х.25, SMDS, ATM, Frame Relay и др.). В учебном пособии основное внимание уделено локальным вычислительным сетям, используемым в промышленной автоматизации. Отметим лишь, что к городским сетям (МАN) относятся сети Frame Relay, FDDI, DQDB, АТМ, SMDS и некоторые др. Скорость передачи в этих сетях различна, но наибольшая – около 45 Мбит/с (Frame Relay и SMDS). Глобальные сети (WAN), к которым относятся сети АТМ, B-ISDN и др., используют

высокоскоростные технологии передачи данных. Так, скорость передачи в сетях АТМ составляет порядка 155 Мбит с. Любая производственная технология представляет собой ряд шагов от обработки сырья до организации системы хранения продукции, и все эти операции должны быть связаны информационными сетями. Сети, обеспечивающие информационные потоки между контроллерами, датчиками сигналов и разнообразными исполнительными механизмами, объединяются общим названием промышленные сети (FieldBus, или полевая шина). Промышленная сеть должна решать две основные задачи: - обеспечивать совместимость на уровне сети приборов от разных производителей; - обеспечивать выход в коммерческие системы обработки данных, например МАР или ТОР. Стандартной промышленной сети сейчас не существует, так как эта область развивалась благодаря усилиям отдельных компаний или их групп. В 1978 г. Международной организацией по стандартизации (ISО) с целью разрешения проблемы взаимодействия сетевых систем с различными видами вычислительного оборудования и различающимися стандартами протоколов была предложена «Описательная модель взаимосвязи открытых систем» (OSI-модель, ISО/ОSI Model или семиуровневая модель). В табл. 2.23 представлены все уровни и функции этой модели. Большинство промышленных сетей поддерживают 1, 2 и 7-й уровни ОSIмодели – физический, уровень передачи данных и прикладной уровень. Таблица 2.23 Модель ISО/OSI Уровень ISО-модели 7. Прикладной (Application) 6. Представление (Presentation)

Функции Обеспечивает связь программ пользователя с объектами сети данных Определяет синтаксис данных, управляет их отображением на виртуальном терминале

5. Сеансовый (Session) 4. Транспортный (Transport) 3. Сетевой (Network) 2. Канальный (Data Link)

Управляет ведением диалога между объектами сети Обеспечивает прозрачность передачи данных между абонентами сети Определяет маршрутизацию «пакетов» сети и связь между сетями Передача данных («кадров») по каналу, контроль ошибок, синхронизация данных

1. Физический (Phisical)

Установление и физического соединения

поддержка

Физический уровень обеспечивает необходимые механические, функциональные и электрические характеристики для установления, поддержания и размыкания физического соединения (стандарт Х.21 IССТТ – Международный консультативный комитет по телефонии и телеграфии). Канальный уровень гарантирует передачу данных между устройствами. Этот уровень управляет не только сетевым доступом, но также механизмами защиты и восстановления данных в случае ошибок при передаче (стандарт HDLC ISО). Сетевой уровень определяет функции маршрутизации «пакета» через несколько логических каналов по одной или нескольким сетям. Принадлежностью пакета является сетевой адрес (стандарт Х.25 IССТТ). Транспортный уровень решает задачи прокладки маршрута в сети и продвижения пакета данных по маршруту. Используется механизм «окна» с подтверждением получения данных от отправителя (стандарт Европейской организации производителей ЭВМ- ЕСМА-72). Сеансовый уровень определяет синхронизацию информационного взаимодействия прикладных процессов обмена данными, т. е. поддержание диалога между процессами определенного типа (стандарт ЕСМА-75). Уровень представления данных обеспечивает представление данных в требуемом формате. Хранение и обработка данных осуществляются СУБД (стандарт ЕСМА-84, -86,-88). Прикладной уровень обеспечивает непосредственную поддержку прикладных процессов и программ конечного пользователя и управление взаимодействием этих программ с различными объектами сети передачи данных (реализуются функции «объект-объект», «объект-оператор», «оператор-объект», «объект-архив»). Протокол модели ОSI представляет набор правил, определяющих начало, сам процесс связи и его окончание между одноранговыми объектами. На рис. 2.43 представлен механизм передачи сообщения от отправителя (узел А) к получателю (узел В). Сообщение содержит пользовательские данные или является протокольным. Перед передачей на нижеследующий уровень к сообщению добавляется управляющая информация – заголовок уровня (#N) в соответствии с протоколом, принятым на данном уровне. Уровням 1 и 2 модели OSI соответствуют стандарты IЕЕЕ 802.x. В рамках IЕЕЕ в 1980 г.

был образован комитет 802 по стандартизации сетей. В комитете 802 были утверждены подкомитеты 802.1–802.9. Подкомитет 802.1 разрабатывает архитектуру управления сетями и стандарты управления сетевыми устройствами на аппаратном уровне; 802.2 – протоколы для подуровня 2.2 (LLС); 802.3–802.5 разрабатывают стандарты для подуровня 2.1 (МАC) и физического уровня. 802.6 разрабатывает стандарты на городские сети; 802.7 и 802.8 - технические консультативные подкомитеты, разрабатывают методики передачи данных в широком диапазоне частот, в том числе по оптоволокну; 802.9 разрабатывает стандарты для интегрированных сетей (передача речи и данных). В стандарте IЕЕЕ 802.2 уровень 2 разделен на два подуровня: подуровень управления доступом к среде – МАС (Medium Access Control) и подуровень управления логическим каналом – LLС (Logical Link Control). Структура уровней 1 и 2 модели ОSI приведена на рис. 2.44. Стандарты, описывающие физический уровень и МАС-подуровень: · Стандарт IЕЕЕ 802.3 на физическом уровне представляет собой стандарт сети Ethernet, основанный на множественном доступе с прослушиванием несущей и обнаружением коллизий, – CSMA/СD. Сюда также относятся Fast Ethernet (стандарт 802,3u) и Gigabit Ethernet (стандарты 802.3z и 802.3ab – Gigabit Ethernet на витой паре категории 5).

Рис. 2.43. Механизм передачи сообщения

· Стандарт IEEE 802.4 – на физическом уровне – маркерная шина (Token Ring). · Стандарт 802.5 – на физическом уровне это маркерное кольцо (Token Ring).

Рис. 2.44.Структура уровней 1 и 2 модели OSI

Помимо модели OSI существуют и другие, более простые стандарты сетей передачи данных. Структура кадра канального уровня по протоколу ECMA приведена на рис. 2.45.

Рис. 2.45. Структура кадра канального уровня по протоколу ECMA

На рис. 2.46 приведен формат кадра по стандарту FDDI, разработанный ANSI. Стандарт предусматривает использование волоконно-оптической связи, скорость передачи 100 Мбит/с, топология – «двойное кольцо».

Рис. 2.46. Формат кадра по стандарту FDDI: P - преамбула; SD - разделитель начала кадра; FC - поле управления кадра; SA адрес отправителя; DA - адрес получателя; FSC - контрольная последовательность кадра; ED -разделитель конца кадра; FS - поле статуса кадра

2.8.8.2. Топология промышленных сетей Сетевая топология описывает способ (тип) сетевого соединения различных устройств. Существует несколько видов топологий, отличающихся друг от друга по трем основным критериям: режим доступа к сети; средства контроля передачи и восстановления данных; возможность изменения числа узлов сети. Основными сетевыми топологиями являются звезда, кольцо и шина. Известны также древовидная/иерархическая (tree/hierarchical) топология, ячеистая (mesh) и смешанная (mixed) топология.

Рис. 2.47. Структура «звезда»

Структура «звезда» (star). В данной топологии (рис. 2.47), называемой также радиальной структурой, вся информация передается через центральный узел. Каждое устройство имеет свою собственную среду соединения. Все периферийные станции могут обмениваться друг с другом только через центральный узел. Преимущество этой структуры в том, что никто другой не может влиять на среду передачи. С другой стороны, центральный узел должен быть исключительно надежным устройством как в смысле логического построения сети (отслеживание конфликтных ситуаций и сбоев), так и физического, поскольку каждое периферийное устройство имеет свой физический канал связи и, следовательно, все они должны обеспечивать одинаковые возможности

доступа. Дополнительное устройство может быть включено в сеть только в том случае, если организован порт для его подсоединения к центральному узлу. Структура «кольцо» (ring). В кольцевой структуре (рис. 2.48) информация передается от узла к узлу по физическому кольцу. Приемник копирует данные и регенерирует их вместе со своей квитанцией подтверждения следующему устройству в сети. Когда начальный передатчик получает свою собственную квитанцию, это означает, что его информация была корректно получена адресатом. В «кольце» не существует определенного централизованного контроля. Каждое устройство получает функции управляющего контроллера на строго определенный промежуток времени. Отказ в работе хотя бы одного узла приводит к нарушению работы «кольца», а следовательно, и к остановке всех передач. Чтобы этого избежать, необходимо включать в сеть автоматические переключатели, которые берут на себя инициативу, если данное устройство вышло из режима нормальной работы. Существует также структура «двойное кольцо», в котором одна ветвь является рабочей, другая – резервной. Структура «шина» (bus). В любой шинной структуре (рис. 2.49) все устройства подсоединены к общей среде передачи данных, или «шине». В отличие от «кольца» адресат получает свой информационный пакет без посредников. Процесс подключения дополнительных узлов к шине не требует аппаратных доработок со стороны уже работающих узлов сети, как это имеет место в случае топологии «звезда». Однако шинная топология требует жесткой регламентации доступа к среде передачи. Данная структура также носит название «общая шина» и «магистраль». Существуют магистральные структуры разомкнутая и типа «петля». Сравнение характеристик рассмотренных топологий представлено в табл. 2.24. Таблица 2.24 Сравнительные характеристики основных топологий «Звезда» «Кольцо» «Шина»

Сравнительн ые характеристи ки Возможны Режим Доступ и управление Децентрализованное доступа через центральный управление. Доступ от централизованный и децентрализованный узла к узлу узел доступы Надежность Сбой центрального Разрыв линии связи Ошибка одного узла узла – сбой всей приводит к сбою всей не приводит к сбою всей сети сети системы

Расширяемос Ограничено числом Возможно расширение Возможно числа ть физических портов на числа узлов, но время расширение узлов, но время ответа ответа снижается центральном узле снижается

2.8.8.3. Методы организаций доступа к линии связи Метод доступа – это набор правил, позволяющий пользователям работать с локальной сетью, не мешая друг другу. Метод доступа реализуется на физическом уровне. Если несколько устройств коммутируются между собой через общую линию связи («шину»), то должен быть определен ясный и понятный протокол доступа к ней. Существуют два метода упорядоченного доступа: централизованный и децентрализованный. В случае централизованного контроля за доступом к «шине» выделяется узел с правами мастера. Он назначает и отслеживает порядок и время доступа к «шине» для всех других участников. Если на мастере произошла авария, то и циклы обмена по «шине» останавливаются. Именно по этой причине децентрализованный контроль с переходящими функциями мастера от одного участника (узла сети) к другому получил наибольшее развитие. Здесь права мастера назначаются группе устройств сети. Во всем мире приняты и широко используются две модели децентрализованного доступа. 2.8.9. Открытые промышленные сети Открытые промышленные сети – это сети, на которые распространяются международные стандарты промышленных сетей. Открытые системы приводят в соответствие специфические требования интересам всех потребителей. Только при использовании принципов открытых систем интеграция изделий разных производителей в одну сеть может быть решена без особых проблем. Следует упомянуть еще одну классификацию сетей – с точки зрения их совместимости с широким спектром технических средств различных производителей. Системы, являющиеся уникальными (их поддерживает только один производитель), работающие по уникальным протоколам связи, получили название закрытых систем. Большинство таких систем зародилось во времена, когда проблема интеграции изделий других производителей не считалась актуальной. В данном подразделе речь пойдет только об открытых сетях. Предпочтительность того или иного сетевого решения как средства транспортировки данных можно оценить по следующей группе критериев: - объем передаваемых полезных данных;

- время передачи фиксированного объема данных; - удовлетворение требованиям задач реального времени; - максимальная длина «шины»; - допустимое число узлов на «шине»; - помехозащищенность; - денежные затраты в расчете на узел. Часто улучшение по одному параметру может привести к снижению качества по другому, т.е. при выборе того или иного протокольного решения необходимо следовать принципу разумной достаточности. В зависимости от области применения весь спектр промышленных сетей можно разделить на два уровня (табл. 2.25) [24]: · контроллерные сети (Field level) – промышленные сети этого уровня решают задачи по управлению процессом производства, сбором и обработкой данных на уровне промышленных контроллеров; · сенсорные сети (Sensor/actuator level) или сети низовой автоматики – задачи сетей этого уровня сводятся к опросу датчиков и управлению работой разнообразных исполнительных механизмов. Таблица 2.25 Характеристики сетей типов Fieldbus и Sensorbus Основные критерии Fieldbus Sensorbus Расширение сети От 100 м до 10 км До 1 км Время цикла Объем передаваемых От 8 байт до нескольких сотен байт данных за цикл Доступ к шине Фиксированный/свободный Цена среды передачи Низкая

От 1 мс до 1 с От 1 до 8 байт

Цена подсоединения 150-500 одного узла, ЕUR

10-100

Свободный Очень низкая

На сегодняшний день спектр протоколов для обоих этих классов довольно широк. Но надо помнить, что область их применения лежит на одном из двух уровней. Типичные представители промышленных сетей контроллерного уровня: ü PROFIBUS (Process Field Bus) -DP, -PA, -FMS; ü BITBUS; ü ControlNet. Типичные сети низовой автоматики: § HART; § Modbus; § ASI (Actuator\Sensor Interface);

§ Interbus-S; § DeviceNet. Типичные открытые сети для обоих уровней применения: · CAN (Controller Area Network); · FIP (Factory Instrumentation Protocol); · LON (Local Operating Network). На рис. 2.48 представлена обобщенная сетевая структура, показывающая в общем виде возможное использование того или иного протокола на определенных уровнях условного промышленного предприятия [25]. Как уже отмечалось выше, понятие field определяет область, связанную непосредственно с производственной зоной, где работают контроллеры, датчики (давления, температуры, уровня и т.д.) и исполнительные механизмы (клапаны, реле и т.д.). Задача промышленной сети состоит в организации физической и логической связей датчиков с системным интеллектом, роль которого выполняют ПЛК или промышленные компьютеры таким образом, чтобы информация с этого уровня была доступна общезаводской информационной системе. Задачи, решаемые с помощью промышленных сетей: 1. Автоматизация на общезаводском уровне.

Рис. 2.48. Сетевая структура протоколов

Здесь необходимы следующие качества: высокая скорость передачи, короткое время реакции на события, длина линий до 300 м. На этом уровне для большинства приложений понятие взрывозащищенности не является обязательным. 2. Автоматизация на уровне управления конкретными технологическими процессами. Здесь необходимы следующие качества: среднее время цикла опроса датчиков (до 100 мс), длина линий связи до 1500 м и более, реализация механизмов внутренней и внешней защиты. Рассмотрим характеристики наиболее известных промышленных сетей. Сенсорные сети (сети низовой автоматики) Сеть MODBUS. Этот протокол разработан фирмой Modicon (в настоящее время входит в группу Shneider Electric) для сбора данных контроллерами Modicon. Специальный физический интерфейс для него не определен [24].

Эта возможность предоставлена самому пользователю: RS-232С, RS422, RS-485 или же токовая петля 4–20 мА. Однако чаще других используется интерфейс RS-485. Протокол MODBUS работает по принципу MASTER-SLAVE или ведущий–ведомый. Конфигурация на основе этого протокола предполагает наличие одного MASTER-узла и до 247 SLAVE-узлов. Только MASTER инициирует циклы обмена данными. Существует два типа запросов: · запрос/ответ (адресуется только один из SLAVE-узлов); · широковещательная передача (MASTER через выставление адреса 0 обращается ко всем остальным узлам сети одновременно без квитирования). Протокол MODBUS описывает фиксированный формат команд, последовательность полей в команде, обработку ошибок и исключительных состояний, коды функций. Для кодирования передаваемых данных используются форматы ASCII (American Standard Code for Information Interchange) и RTU (Remote Terminal Unit). Каждый запрос со стороны ведущего узла включает код команды (чтение, запись и т.д.), адрес абонента (адрес 0 используется для широковещательной передачи), размер поля данных, собственно данные или буфер под данные и контрольный СRС-код. Функция обслуживания тайм-аута реализована для фиксирования коллизий при приеме/передаче данных. Набор команд протокола описывает функции: - чтение/запись битов и битовых последовательностей; - чтение/запись регистров; - функции диагностики; - программные функции; - функции управления списком опроса; - функции сброса (RESET). Протокол MODBUS можно назвать наиболее распространенным в мире. Для работы со своими изделиями его используют десятки фирм. Хотя ограничения этого протокола достаточно очевидны, он привлекает простотой логики и независимостью от типа интерфейса. HART. HART-протокол (Highway Addressable Remote Transducer), разработанный фирмой Fisher Rosemount Inc. в середине 80-х гг., реализует принцип частотной модуляции для организации цифровой передачи, основанной на технологии 4–20 мА. На аналоговый сигнал 4-20 мА накладывается частотно-модулированный цифровой сигнал с амплитудой колебаний +/-0,5 мА. Логической единице соответствует частота 1200 Гц, логическому нулю – 2200 Гц. Физический канал – экранированная витая пара. HART-протокол позволяет передавать до 1200 бит/с, в нем реализована схема отношений между узлами сети по принципу MASTER/SLAVE. В

сети может присутствовать до 2 MASTER-узлов (обычно один). Второй MASTER, как правило, освобожден от поддержания циклов передачи и занят под связь с какой-либо системой контроля/отображения данных. Стандартная топология организована по принципу «точка–точка» или «звезда». Для передачи данных по сети используются два режима: ü по схеме «запрос-ответ», т.е. асинхронный обмен данными (один цикл укладывается в 500 мс); ü все пассивные узлы непрерывно передают свои данные на MASTERузел (время обновления данных в MASTER-узле 250–300 мс). Возможно построение топологии типа «шина» (до 15 узлов), когда несколько узлов подключены на одну витую пару. Питание осуществляется по шине. Весь набор команд, реализованных в HART-протоколе, условно можно разделить на три группы: - Универсальные команды. Это команды общего назначения, используются на уровне операторских станций: код производителя устройства в сети, модель, серийный номер, краткое описание устройства, диапазоны ограничений, набор рабочих переменных. - Команды для групп устройств: фиксация значения тока на выходном канале, сброс и т.д. - Команды, зависящие от устройства: старт/стоп, специальные функции калибровки и т.д. За одну посылку один узел другому может передать до 4 технологических переменных, а каждое HART-устройство может иметь до 256 переменных, описывающих его состояние. Структура информационного байта имеет стандартный формат: 1 стартовый бит, 8 бит данных, 1 бит контроля нечетности, 1 столовый бит. Метод контроля корректности передаваемых данных основан на получении подтверждения. В США HART-сообщения можно свободно передавать по телефонным линиям. В Европе это не разрешено – для этих целей необходимо иметь выделенный телефонный канал. На сегодня установлено около 600 тысяч HART-узлов. Наличие международной организации «HART Communication Foundation» позволяет активно продвигать эту промышленную сеть в среде пользователей. AS-интерфейс. Основная задача AS-интерфейса нижнего уровня – связать в единую информационную структуру устройства нижнего уровня распределенной системы управления, а именно датчики и разнообразные исполнительные механизмы, имеющие соответствующий сетевой интерфейс. Название описываемой сети раскрывает ее предназначение: Actuators Sensors Interface (АSI) – интерфейс исполнительных устройств и датчиков.

Впервые АSI-протокол вышел на рынок в конце 1989 г. и сегодня поддержан рядом известных фирм: IВМ, Siemens, Pepperl+Fuchs, AllenBradley, Limberg. Существует и одноименная ассоциация по поддержке этой сети – АSI. Тенденция в построении распределенных систем автоматизации имеет явное стремление использовать технологии сквозного сетевого доступа. Система должна увязывать в сеть не только контроллеры, но желательно и датчики. Но эта увязка должна удовлетворять всем современным требованиям по надежности и открытости, предъявляемыми к любой промышленной сети. Сеть АSI эти задачи решает. С ее помощью можно строить системы, в которых датчики и контроллеры связаны одной сетью, причем АSI имеет шлюзы в другие промышленные сети – ModBus, PROFIBUS, INTERBUS-S, Device Net и др.

Рис. 2.49. Упрощенная схема ASI-сети

Каждый узел АSI-сети должен иметь специальную интерфейсную микросхему с поддержкой АSI-протокола. АSI-интерфейс позволяет передавать как данные, так и питающую нагрузку к узлам сети по одной паре проводов. Упрощенная схема АSI-сети представлена на рис. 2.49. Топологией АSI-сети может быть «шина», «кольцо», «дерево» или «звезда». Общая длина сегмента – до 100 м, а с использованием репитеров – 300 м. Максимальное время цикла составляет 5–10 мс. Логическим центром любой топологии является один MASTER-узел, который контролирует всю работу сети, организует обмен данными с PLC. ASI-MASTER может быть организован на широком спектре контроллеров,

через которые организуются шлюзы в промышленные сети более высокого уровня. Часто АSI-MASTER оформляется в виде отдельной платы контроллера или компьютера. Максимальное число ведомых устройств (slave), подключаемых к одному Master-узлу, – 62. В качестве среды передачи данных используется 2-проводной канал. Скорость передачи ограничена до 167 Кбод, дальность передачи – 300 м. Сегодня появился специальный АSI-кабель, в котором оба проводника упакованы в специальную мягкую резиновую оболочку, которая делает этот кабель гибким и устойчивым к многократным изгибам. Этот кабель используется для подсоединения датчиков, устанавливаемых на подвижных частях механизмов. Для кодирования данных используется известный манчестерский код, в котором 0 и 1 кодируются по восходящему и нисходящему фронту сигнала. Такой тип кодирования снижает влияние на АSI-кабель внешних возмущений. Адрес каждого сетевого устройства записывается в его постоянной памяти. С тем чтобы обеспечить короткий АSI-цикл на низкой скорости передачи, был выбран наиболее компактный формат: MASTER-запрос SТ

SB

АО...А4

SLAVE-ответ РВ

ЕВ

SТ

I0...I3

РВ

ЕВ

SТ: стартовый бит (0); ЕВ: стоповый (конечный) бит (1); SВ: управляющий бит (0 – запрос данных параметра адреса; 1 – запрос команды); А0...А4: адрес вызываемого ведомого устройства (5 разрядов); 10…13: пять информационных разрядов (параметр, команда); РВ: бит четности. Электрические характеристики: общий ток в системе ограничен 2 А, к каждому узлу должно быть подано напряжение 24 VDC. Таким образом, сеть АSI представляет собой сеть оконечных устройств распределенной системы управления. Interbus-S. Сеть Interbus – одна из первых промышленных «шин», получивших широкое распространение, разработанная фирмой Phoenix Contact; с 1984 г. Interbus-S остается популярной благодаря дальности охвата, гибкости, быстродействию, диагностическим средствам и автоадресации. Физический уровень Interbus основан на стандарте RS-485 и напоминает обычную сеть с многоотводными соединениями, однако в действительности представляет собой последовательное «кольцо» на базе сдвиговых регистров.

Каждый подчиненный узел имеет два коннектора: через один коннектор данные принимаются, через другой передаются в следующий узел. Информация об адресе в протоколе отсутствует; данные в сети пересылаются по кругу, и главное устройство всегда способно определить, из какого узла считывается или в какой узел передается информация по положению этого узла в «кольце». Издержки протокола, таким образом, минимальны. В типовых системах с несколькими десятками узлов и (возможно) десятком устройств ввода/вывода на узел немногие «шины» способны показывать лучшие результаты, чем Interbus. Благодаря необычной сетевой топологии Interbus имеет два дополнительных преимущества. Во-первых, кольцевая топология дает главному устройству возможность самому себя конфигурировать, причем в некоторых случаях данный процесс не требует вмешательства со стороны пользователя. Во-вторых, точность сведений о сетевых отказах и месте их возникновения значительно упрощает процесс их поиска и устранения. Сеть Interbus может работать с устройствами как аналогового, так и цифрового ввода/вывода. Канал РCP представляет собой коммуникационный механизм упаковки в Interbus-протокол конфигурационных параметров и управляющих команд без какого-либо влияния на процесс передачи обычных данных ввода /вывода. Максимальное число узлов в сети – 512, длина соединения (расстояние между узлами) – до 400 м. Общая дальность охвата сети – до 12,8 км, скорость передачи – 500 Кбит /с). Размер сообщения – 512 байт данных на узел, число передаваемых блоков не ограничено. Типы обмена сообщениями: сканирование устройств ввода\вывода, РСР-канал для передачи данных. Сеть DeviceNet. Протокол DeviceNet, разработанный фирмой AllenBradley (США) в 1994 г., относится к сетям нижнего уровня и обеспечивает связь между разнообразными промышленными устройствами (фото- и термодатчики, исполнительными механизмами) и устройствами более высокого уровня (ПЛК и РС) без использования модулей ввода/вывода. Сеть DeviceNet имеет шинную топологию, физический канал – 4-проводный кабель. Помимо протокола обмена, сеть предусматривает стандартизованные открытые и герметичные разъемы устройств, диагностические индикаторы и профайлы (файлы параметров) устройств. В дополнение к чтению состояния дискретных датчиков и управления пусковыми устройствами сеть позволяет передавать значение температуры и тока нагрузки пусковых устройств, изменять скорость замедления приводов и регулировать порог срабатывания датчиков. Устройства могут быть удалены или заменены без удаления других

устройств и без применения средств программирования, что помогает снизить эксплуатационные издержки. К сети могут быть подключены 64 узла (до 2048 устройств – по 32 на узел), для связи используется комбинация ответвителей и экранированной витой пары. Ответвители DevicePort - пассивные, многопортовые, поставляются с 4 или 8 герметичными микропортами быстрого отключения. Данные посылаются по необходимости короткими пакетами. Определены три значения скорости передачи данных: 125, 250 или 500 кбит/с. Длина магистрали (толстый кабель диаметром 12,2 мм) соответственно 500, 250 и 100 м. Длина одиночных отводов - 6 м. Контроллерные сети Сети на основе протокола BITBUS. Протокол BITBUS разработан фирмой Intel в 1984 г. для построения распределенных систем, в которых должны быть обеспечены высокая скорость передачи, детерминизм и надежность. За основу был взят широко известный протокол управления каналом передачи данных, разработанный фирмой IВМ - SDLC (Synchronous Data Link Control). Логика сети использует принцип Master/Slave. Физический интерфейс основан на стандарте RS-485 и представляет собой экранированную витую пару. Институтом инженеров по электротехнике и радиоэлектронике (IEЕЕ) BITBUS-протоколу был присвоен статус стандарта (IЕЕЕ 1118). Максимальная длина локальной сети BITBUS составляет 13,2 км, общее число абонентов в сети - до 240. 2.8.10. Интегрированные системы управления Эффективное управление современным предприятием основано на интеграции информационных ресурсов предприятия в целом - от уровня низовой автоматики до уровня планирования и управления производством и доступности этой информации на всех уровнях принятия решений[71]. Интегрированные системы управления - это системы, основанные на общедоступной информации со всех уровней управления и реализующие функции достижения общей цели с учетом многокритериальной оценки деятельности предприятия и возможных ограничений. Сбор, обработка и хранение всей информации осуществляются, как правило, на нескольких резервированных серверах реального времени, где разнородная информация от различных систем (ПЛК, SCADA, DCS, модулей ввода-вывода и пр.) переводится в вид, удобный для представления пользователям, к числу которых могут быть отнесены службы главного технолога, главного метролога, сбыта и снабжения, учета

и планирования и др., руководители подразделений и предприятия в целом. Первоначально для создания подобных систем, получивших название корпоративные информационные системы, использовались технологии реляционных баз данных, таких как Oracle, Microsoft SQL Server, DB2 и др. Однако с увеличением объема и скорости изменения информации реляционные БД оказались не в состоянии получать информацию в том же темпе, в котором она поступает от современных источников информации (десятки тысяч данных за доли секунды). Отсюда возникла необходимость создания специализированных корпоративных информационных систем реального времени. Поскольку за рубежом и в России за последние 20 лет создано достаточно много различных систем управления производством и деятельностью предприятия, остановимся на терминологии, назначении и месте этих систем в общей структуре управления предприятием. Иерархия систем управления в упрощенной форме с позиции общепринятых понятий приведена в табл. 2.26. К настоящему времени все крупные компании-разработчики аппаратного и программного обеспечения АСУ ТП выпустили пакеты ПО комплексной (полной) автоматизации производства. Это или отдельные интегрированные пакеты, работающие независимо от типа установленной SCADA-системы, или клиентские приложения к ранее выпущенным SCADA-системам. К полномасштабным системам управления производством относятся Plant Information System (PI System) фирмы ОSI Software (США), «Орбита» фирмы «ПЛК-системы» (Россия), РСS7 фирмы Siemens (Германия) и ряд др. Фирма Wonderware (США) разработала интегрированный пакет полной автоматизации производства Factory Suite, компонентом которого является InTrack-система оперативно-диспетчерского управления материальными потоками и производственными запасами. Фирма Intellution (США) разработала программный пакет промышленной автоматизации iHistorian, поддерживающий концепцию построения информационно-управляющих систем производства Plant Intelligence. ЕRР-системы, или системы планирования ресурсов предприятия, являются системами прогнозирования развития предприятия, его эволюции в плане долгосрочного прогноза на основе анализа деятельности предприятия за определенный промежуток времени. Под ресурсами предприятия понимаются его финансовые, сырьевые, материальные ресурсы и готовая продукция. Примерами ЕRР-систем служат системы Protean, ОптиМет, «Галактика» компании «Галактика» (Россия), «Парус», SAP R/3 компании SАР АG (Германия) и др. К одной из модификаций этих систем относят

СРМ-системы или системы управления эффективностью бизнеса. Примером СРМ-систем может служить система СОМSНАRЕ МРС фирмы «СОМSНАRЕ Inc.» (США). Уровень иерархии ЕRР- и СРМ-систем принято называть бизнес-уровнем. Таблица 2.26 Тип системы ERPсистемы MRPсистемы CPMсистемы

MESсистемы EAMсистемы SCADAсистема

DCS

Сервер реального времени

Иерархия систем управления Название Примеры Уровень иерархии системы систем Enterprise «PROTEAN», Resource «ОптиМет» Planning Manufacturing Галактика, Resource Бизнес-уровень Парус, SAP R\3 Planning Corporate «Comshare Perfomance MPC» Management Systems PI System, Plant2Business, Manufacturing Simatic PCS7, Execution System T-Factory 6, Административный Орбита уровень Enterprise Asset Avantis Pro Management InTouch, Supervisory Диспетчерский Genesis32, iFIX, Control And Date Real Flex, Trace уровень Acquisition Mode и др. TDC-3000, Distributed Contronics, Control Systems МСКУ, Уровень АСУ ТП (Распределенные «Техноконт», системы «Униконт» и управления) др.

К настоящему времени ЕRР-системы активно внедряются на предприятиях России и за рубежом. Эти системы управляют материальнопроизводственными ресурсами предприятия, планированием производства, снабжением, прогнозируют технологические, энергетические и др. показатели работы предприятия. Предшественниками ЕRP-систем были МRP-системы. Стандарт «МRРII Standard System» (МRР - Manufacturing Resource Planning) определяет функции планирования продаж и производства, управление спросом, планирование материальных

ресурсов, управление запасами и продажами, управление производственными операциями, управление финансами и др. На основе МRP-систем сформировались помимо ЕRP-систем также СRP-системы (планирование потребности в производственных мощностях) и DRPсистемы (планирование спроса и предложений). CRM-системы осуществляют функции планирования, в том числе составления бюджета, контроля и учета, расчета себестоимости продукции и др. По сути, это системы управления эффективностью бизнес-процесса. Наибольшее развитие в последние годы получили МЕS-системы или системы управления производственным процессом, призванные обеспечить необходимой для управления технологической информацией производственный и руководящий персонал (диспетчерские и технические службы, руководители подразделений). Традиционно этому уровню иерархии соответствуют АСОДУ-автоматизированные системы оперативно-диспетчерского управления. Толчком к развитию МЕS-систем, возможно, стали успехи PI System - информационной системы предприятия фирмы OSI Software, предназначенной для сбора и унификации информации на центральном сервере системы. К системам этого класса относятся, помимо РI System, информационно-управляющая система «Орбита» (ЗАО «ПЛК-системы»), Plant2Business фирмы СIТесhNologies и др. МЕS-системы относят к классу общепромышленных систем управления дискретными и непрерывными производствами в масштабе самостоятельного подразделения - крупного цеха или завода в составе фирмы (корпорации). Ввиду наличия функций сбора информации и управления у МЕS-систем эти системы, по сведениям разных источников, именуют информационно-управляющими системами (ИУС), интегрированными системами управления (ИСУ), информационными системами управления предприятием (ИСУП), информационными системами производства (ИСП) и пр. Одной из составляющих МЕS-систем являются EАM-системы системы управления основными фондами. EАM-система предназначена для комплексной автоматизации процессов эксплуатации, технического обслуживания и ремонта оборудования в режиме РВ, включая связанные с этим функции снабжения и ведения складского хозяйства предприятия. Примером EАM-системы служит система Avantis Pro. Постоянное расширение функций МЕS-систем, разработчиками которых выступают крупные фирмы, размывает границы между МЕS-системами и ЕRPсистемами, находящимися на более высоком уровне. Не останавливаясь на рассмотрении распределенных систем управления (DCS), традиционно отнесенных к уровню ЛСА (локальных систем автоматизации), к которым в качестве примера можно отнести

ТDС-3000, Contronics, МСКУ, ТЕХНОКОНТ, УНИКОНТ и многие др., а также АСКУЭ (автоматизированные системы контроля и учета энергоресурсов), располагающиеся на уровне ЛСА и диспетчерском уровне (примеры АСКУЭ – ПТК «ЭКОМ-3000», «Политариф», ИВК «Спрут» и др.), отметим влияние программируемых контроллеров на эффективность работы ЕRP- и МЕS-систем. Прежде всего это возможность представления данных о процессе в реальном масштабе времени на сервер административного уровня (уровень информационной системы производства). Эти данные могут передаваться непосредственно от контроллеров или SCADA-систем при распределенной клиент-серверной архитектуре связи. Другим требованием обеспечения доступа данных на уровень управления производством является наличие надежных интерфейсов связи, основанных на современных технологиях (ОРС, Modbus, Ethernet и др.), и соответствующих коммуникационных портов. Для повышения надежности и достоверности передаваемой информации необходимо предусмотреть меры по защите информации и резервированию программно-аппаратных средств системы (серверов, линий связи, контроллеров, модулей ввода-вывода и пр.). 2.8.10.1. ERP-системы Система Protean. Protean - это система для крупных предприятий химической, фармацевтической и др. отраслей промышленности с непрерывным циклом производства. Система включает модули, отвечающие за производство, управление финансами, составление рецептур, управление материально-производственными запасами, снабжение, планирование, составление графиков, расчет себестоимости продукции и управление заказами. Protean работает на платформе таких СУБД, как Oracle, Microsoft SQL Server, DВ2 на платформе АS/400. Разработанный для Microsoft Windows, Protean поддерживает технологию ОLЕ, обеспечивает интеграцию с приложениями, электронными таблицами, электронной почтой, системами автоматизации документооборота. Производственный модуль служит для управления технологическими процессами с учетом возможных колебаний качества сырья и параметров процессов. Функция Schedule Management позволяет составлять графики работ и контролировать выполнение планов производства, а функция Schedule Activity Reporting позволяет составлять отчеты по различным видам деятельности предприятия, в том числе по затратам, производственным потерям и др. Модуль планирования предназначен для улучшения качества

обслуживания клиентов, наиболее полного удовлетворения их требований путем оптимизации производственных графиков, которые можно просмотреть благодаря функции Resource Scheduling и внести необходимые изменения в поставки сырья и материалов. Модуль калькуляции издержек производства позволяет контролировать себестоимость продукции на всех этапах ее производства. Функция Cost Modeling оптимизирует работу предприятия по критерию максимальной рентабельности. Модуль управления снабжением призван автоматизировать операции снабжения в соответствии с полученными заказами. Особенностью подсистемы является наличие каталогов необходимой продукции (сырья, материалов, запасных частей, упаковки и пр.) в реальном масштабе времени. Система «ОптиМет» ЗАО НТЦ «ЛАГ Инжиниринг» (Россия). Система «ОптиМет» предназначена для расчетов и прогнозирования технологических, экономических и экологических показателей применительно к структуре металлургического производства. В качестве критериев оптимизации приняты: - минимум себестоимости товарной продукции; - минимум потребления энергетических ресурсов; - максимум прибыли и минимум дефицита бюджета; - минимум вредного воздействия на окружающую среду. Система основана на глобальной математической модели металлургического производства, включающей нелинейные модели процессов - коксохимического, доменного, агломерационного, конверторного и др. «ОптиМет» позволяет выполнить сквозной расчет всех производств от получения сырья до выпуска готовой продукции. Оптимизация сырьевой структуры предполагает разработку стратегии закупки сырья, определяемую данными корреляции стоимости и качества сырья у различных поставщиков. Оптимизация структуры производства определяется расчетом оптимальной загрузки коксохимического, доменного и агломерационного производств, перераспределением производства чугуна, стали и проката в зависимости от конъюнктуры рынка и оптимального соотношения цены и себестоимости проката. Снижение энергоемкости производства осуществляется за счет повышения эффективности работы оборудования, применения энергосберегающих технологий, снижения энергопотребления и устранения необоснованных потерь. Снижение вредного воздействия на окружающую среду осуществляется за счет расчета экономической оценки ущерба от вредных выбросов и принятия мер к их снижению. Расчет и планирование экономических и финансовых показателей металлургического

производства включает расчет себестоимости продукции, сметы затрат, формирование портфеля заказов, программы закупок сырья, финансовый анализ производства за прошедший период и на перспективу. Система «Галактика» корпорации «Галактика», Россия. Комплексная информационная система «Галактика» является многопользовательской сетевой системой управления деятельностью предприятия, направленной на решение задач планирования, оперативного управления, учета, контроля и анализа деятельности предприятия. Система поддерживает наиболее распространенные серверные платформы - Pervasive SQL, MS SQL, Oracle. К основным принципам построения системы относятся открытость, модульность, универсальность и адаптируемость, корпоративность и др. В состав системы «Галактика» входят: - контур управления финансами (управление бюджетом, платежный календарь, финансовый анализ); - контур управления персоналом (управление кадрами, заработная плата); - контур бухгалтерского учета (финансово-расчетные и кассовые операции, учет основных средств и материальных ценностей, налоговые регистры, финансовая и бухгалтерская отчетность, векселя и кредиты, фактические затраты); - контур логистики (управление снабжением и сбытом, складской учет, расчеты с поставщиками и получателями, управление договорами); - контур управления производством (управление заказами, техникоэкономическое планирование, техническая подготовка производства, учет материальных ценностей, техническое обслуживание и ремонт оборудования); - контур отраслевых и специализированных решений (управление автотранспортом, капитальным строительством, рекламной деятельностью; претензионно-исковая работа; розничная торговля, сервисное обслуживание и др.). КИС «Галактика» ориентирована на управление предприятиями в различных отраслях промышленности. К другим ЕRP-системам относятся «Oracle Application» компании Оrасlе, «BAAN IV» компании Baan и др. 2.8.10.2. СРМ-системы Система СОМSНАRЕ МРС компании СОМSНАRЕ Inс. (США). СОМSНАRЕ МРС представляет собой систему бюджетирования, управленческого планирования и контроля. Система СОМSНАRЕ МРС позволяет заменить обработку финансовой информации, выполняемую с

помощью таблиц Ехсеl, системой централизованного ввода и обработки данных. Данную систему относят к классу систем управления эффективностью бизнеса. Такие системы позволяют автоматизировать процессы составления бюджета (бюджетирования), планирования, финансового анализа и управленческой отчетности, подчинив их стратегическим задачам развития предприятия. Хотя СPM-системы являются дополнением ЕRP-систем, внедрение их на предприятии должно быть первоочередным. Это вытекает из необходимости оптимизации не только процессов бюджетирования, но и стратегического прогнозирования. 2.8.10.3. МЕS-системы Рассмотрим краткие характеристики наиболее распространенных МЕSсистем. РI System (Plant Information System) фирмы ОSI Software (США) – универсальная информационная система сбора, хранения и представления в едином формате данных от различных ПЛК, DCS, SCADA-систем, устройств ручного ввода и пр. РI System поддерживает клиент-серверную архитектуру. Клиентское ПО базируется на ОС Windows 9х/NТ/2000/ХР. Основным компонентом системы является РI Server – БД РВ с подсистемой обработки данных. РI System имеет свыше 250 интерфейсов для связи с DCS, ПЛК и SCADA-системами. В ПО клиентских приложений РI System входят (рис. 2.50).

Рис. 2.50. Состав приложений PI System

С учетом рассмотренных систем, общую структуру интегрированной системы управления предприятием можно представить в виде рис. 2.51.

2.8.10.4. Серверы баз данных Возросший объем информации, охватывающий все уровни иерархической структуры предприятия, включая производственную, хозяйственную, финансовую и др. виды деятельности предприятия, предъявляет повышенные требования к устройствам хранения, обработки и обмена данными. Эти задачи возлагаются на компьютеры с большими вычислительными ресурсами – серверы.

Рис. 2.51. Общая структура интегрированной системы управления предприятием

Концепция сервера основана на использовании одного или нескольких компьютеров для решения специфических задач – хранения, обработки, преобразования информации, печати и др. для некоторого числа других компьютеров (рабочих станций). Сервер локальной вычислительной сети – это файл-сервер, предоставляющий доступ к общему дисковому пространству. К прикладным серверам относят сервер баз данных, сервер печати, сервер резервирования, факс-сервер и др. Сервер может быть выделенный или совместно используемый, централизованный или распределенный. Выделенный сервер имеет более высокую производительность и более надежную защиту данных, но является более дорогостоящим. Производительность сервера совместного использования ниже из-за более частых прерываний операционной системы при обслуживании ряда пользователей. Централизованный сервер подразумевает использование одного компьютера для выполнения

сервисных функций, что делает его надежность выше, чем у распределенного сервера. В зависимости от вычислительной мощности серверы подразделяются на следующие типы: сервер рабочих групп, сервер подразделения (отдела), сервер предприятия, корпоративный сервер и Internet-сервер (Web-сервер). Встречается деление серверов на серверы начального, среднего и высшего уровней (классов). Различные типы серверов приведены на рис. 2.52.

а

б

в

д

г

Рис. 2.52. Типы серверов: а - система хранения данных SUN Storrage T3 компании SUN Microsystems; б серверная платформа Intel SRSH4; в - сервер предприятия; г - серверный корпус Intel SC5200; д - blade-сервер

Сервер рабочих групп (сервер начального уровня) используется для сетевой печати, управления файлами и удаленного доступа по сети. Сервер подразделения (сервер среднего уровня) служит для организации работы приложений для нескольких рабочих групп,

электронной почты, поддержки работы удаленных подразделений. Сервер предприятия – мощный сервер для управления предприятием в целом. Эффективен при формировании кластеров и отказоустойчивых вычислительных систем. Поддерживает работу ЕRР, СRМ, EАМ и др. систем верхнего уровня. Корпоративный сервер – мощный сервер для работы с большими базами данных, приложениями сложных информационных систем и Webприложений. Эффективен при формировании кластеров и отказоустойчивых вычислительных систем. Internet-сервер (сервер Internet-приложений) эффективен при работе со сложными Web-приложениями, требующими непрерывной работы с высокой производительностью. Основные требования, предъявляемые к серверам: · возможность наращивания дискового пространства и вычислительной мощности (до сотен терабайт); · высокая надежность хранения данных; · защита данных от несанкционированного доступа и др. Отличительными особенностями серверов являются: - многопроцессорность (до 16 процессоров, в том числе RISСпроцессоров с поддержкой режима многопроцессорной обработки); - большой объем НDD-памяти (многомодульность памяти) - 250 Гб и больше, а также кэш-памяти (до 8 Мб и больше): - многоуровневая шинная архитектура: - поддержка RAID-технологии дисковых массивов. Транзакционная производительность сервера по тесту ТРС-С измеряется в единицах trmС (примерно 60000 для сервера среднего класса). Для накопления и обработки больших массивов информации существуют сетевые хранилища данных, удовлетворяющие следующим требованиям: - возможность быстрого доступа к данным по сети; - возможность резервирования хранимой информации в условиях сбоев и сетевых помех; - управление массивами независимо от платформ и конфигураций вычислительных систем: - использование высокоскоростной «шины» РСI-Х и др. Среди фирм, выпускающих серверы различной производительности и назначения, отметим компании Intel, Hewlett Paccard, Compaq, ICP Electronics Inc., I-O Data, Sun Microsystems и др. Серверы компании Hewlett Paccard обладают рядом функциональных достоинств, среди которых функции предотвращения отказов,

масштабирования ресурсов и функции удаленного управления ресурсами. Компания Hewlett Paccard выпускает серверы начального уровня – НР L1000 и L2000, среднего уровня – НР N4000 (на замену НР9000), NetServer LН6000 и LТ6000, серверы разработки Web-приложений – WebSphere Application Server. Сервер НР N4000 – на базе 8-ми RISС-процессоров РА8600 (Precession Architecture RISC). Серверы LН6000 и LТ6000 – 6процессорные серверы на базе Xeon РIII фирмы Intel. Новые серверы фирмы Hewlett Paccard А400 и А500: сервер А400 – на базе одного процессора РА8500 440 МГц, А500 – на базе двух процессоров РА8500 440 МГц и РА8600 552 МГц. Фирмой выпущены сверхплотные (blade) серверы в виде отдельной платы с возможностью «горячей» замены. Blade-серверы реализуют переход от концепции множества территориально распределенных серверов к единому центру обработки, где каждый сервер выполняет свои функции. Линейка Blade-серверов компании Hewlett Paccard НР РrоLiant ВL используется в корпоративных вычислительных центрах. Новое поколение серверов НР РrоLint ВL10е, ВL20р и ВL40р построено на базе процессоров Intel Xeon МР 400 МГц. Так, Blade-сервер НР РrоLiant ВL40р имеет 4 процессора 400 МГц, ОЗУ – 12 ГБ. При подключении к системе SAN HP StorageWorks при обслуживании ЕRР- и СRM-систем емкость систем хранения данных может быть увеличена до сотен терабайт. Компания IСР Electronics Inc. выпускает серверы серии NAS, представляющие собой сетевые хранилища данных. Они должны удовлетворять следующим требованиям: возможность быстрого доступа к данным, резервирование хранимой информации, управление массивами данных независимо от платформ и конфигураций компьютера. Серверы NAS используют ОС Linux, но поддерживают файлы различных ОС и сетевых протоколов, имеют возможность резервного копирования, надежную защиту данных. Фирма Compaq выпускает 4-процессорные серверы РrоLiant 6500 на базе процессоров Pentium III, ОС – Windows NT и др. Серверы начального уровня PRIMERGY серий ТХ и RХ выпускает компания Fujitsu Siemens Computers. Серверы серии ТХ150 с ПРЦ Intel Pentium 4, ТХ - 2 ПРЦ Intel Xeon ТХ300 - 2 ПРЦ Intel Xeon выполнены в напольном исполнении. Серверы RХ100, RХ200 и RХ300 используются в качестве Web-серверов и выполнены в шкафном исполнении. Так, сервер RХ300 имеет шесть жестких дисков с возможностью их «горячей» замены, а также ОЗУ 12 ГБ с функцией «горячей» замены. Компания I-О Data выпускает сетевой накопитель типа НDL-хххU различной емкости. НDL 120U имеет емкость 120 Гбайт, НDL 160U – 160 Гбайт, НDL 250U – 250 Гбайт. Все накопители работают под управлением

ОС Windows 98/МЕ/NТ/2000 ХР. Компания Sun Microsystem производит сервер начального уровня NETRA X1, монтируемый в 19” стойку (высота сервера – 1U). В сервере использован 64-разрядный процессор UltraSparc с тактовой частотой 500 МГц, кэш-память – 32 байта, ОЗУ – 2 Гбайта, НЖМД – 2x20 Гбайт. Коммуникационные порты: 2xEthernet/Fast Ethernet, 2хRS-232С/RS423, 2хUSB v.1.0. В качестве ОС использована ОС Solaris 8. Более ранние модели серверов компания Sun Ultra Enterprise – модели 150, 450, 3000, 4000, 5000, 6000 и 10000 имеют от одного до 64 процессоров (серия 10000), память – до 64 Гбайт. Эта же компания выпускает систему хранения данных масштаба предприятия Sun Storedge T3 для рабочей группы. Используя последние достижения RAID-технологии, система позволяет наращивать базу хранения данных. Хранилище данных состоит из модулей, вмещающих по 9 дисководов емкостью 18, 36 и 73 Гбайта. Общая емкость одной монтажной стойки из 72 дисководов – от 1,3 до 5,2 Терабайт, а системы из 32 монтажных стоек – от 41,5 до 168,2 Терабайт. Система Sun Storedge T3 имеет RAID-контроллер, кэш-память 256 Мбайт, порт RS232С, ОС Solaris 7 (8). Большая линейка серверов выпускается по технологии Intel российской фирмой «ВИСТ». К их числу относятся серверы Netline-СС2 (архив), -СС2АТА (архив), СS2 (архив), WС2е, WС2еАТА, WS2 (архив), WS2е, серверы марок V-Рrо-AН2 (архив), DН2 (архив), WС1е (архив), WР1е, а также серверы марок Х-Рrо-VН2е, -ВН2е, -СН2 (архив), -СН2е, -НН2 (архив), -НН2е, -SС4 и -SD4. К примеру, сервер Netline-WC2е имеет 2 процессора Intel Xeon, тактовая частота – 400/533 МГц, кэш – 512 кбайт, флэш – 8 Мбайт, общая емкость системы – 286 Гбайт (2хНDD емкостью 143 Гб), корпус Rack Mountable для монтажа в 19" стойку (высота сервера 1U). Сервер имеет функции диагностики и автоматического устранения неисправностей (автоматические коррекция ошибок памяти и отключение неисправного процессора, автоматическая перезагрузка при выключении системы или зависании ОС). При нарушениях осуществляются автоматическая рассылка сообщений по SNMP, E-mail, регистрация событий и индикация состояний системы. Сервер V-Рrо WС1е является сервером приложений начального уровня. Может содержать один процессор Intel Pentium 4 или четыре процессора Celeron, тактовая частота – 400/533 МГц, общая емкость системы – от 40 до 480 Гбайт. Сервер Х-Рrо SС4 является сервером отдела или предприятия и создан на базе нового чипсета Grand Champion НЕ, а также четырех процессоров Intel Xeon с тактовой частотой 400 МГц. Объем ОЗУ – 24 Гбайт, общая емкость системы – от 18 до 1430 Гбайт (от 1 до 10 НDD). Сервер Х-Рrо VН2е представляет собой рабочую станцию на базе двух процессоров

Intel Xeon с тактовой частотой 400/533 МГц , ОЗУ – 8 Гбайт, общая емкость системы – от 18 до 715 Гбайт (число НDD от 1 до 5). Исполнение – башня, высота – 450 мм, ширина – 235 мм, глубина – 485 мм. Следует ожидать, что с развитием микропроцессорной техники, прежде всего процессоров и элементов памяти, появятся новые, еще более производительные серверы. 2.8.11. Примеры применения ПЛК при разработке РСУ 2.8.11.1. Решение типовых задач управления на языках IЕС 61131-3 Организация контуров управления. Функции управления процессом являются основными элементами любого языка, используемого для программирования контуров регулирования на ПЛК. В частности, эти функции предназначены для: - реализации последовательных процессов, которые требуют дополнительных функций управления (процессы смешения, розлива, обработки металлов и др.); - обеспечения простых алгоритмов управления процессом (управление печами для варки металла, стекла, печами для обжига керамики, клинкера и т.д.); - обеспечения конкретных задач автоматического регулирования или механического управления, где особенно важен период дискретности (управление вращением, скоростью, управление роботами и др.). Чаще всего в программном обеспечении контроллеров не существует ограничений на максимальное количество реализуемых контуров управления. На практике число контуров управления ограничивается максимальным числом входных и выходных модулей, доступных с использованием данного ПЛК. Для решения типовых задач управления каким-либо технологическим параметром обычно используют стандартный ПИД-закон регулирования. Как известно, закон регулирования представляет собой математическое выражение, связывающее рассогласование между текущим значением управляемой величины и заданным ее значением с величиной управляющего воздействия, передаваемого на объект управления при помощи тех или иных исполнительных механизмов. Для ПИД-закона это выражение имеет вид

u (t ) = k p D (t ) +

1 Ti

ò

.t

.0

D (t ) dt + Td

d D (t ) , dt

(2.1)

где и(t) – управляющее воздействие; ∆(t) – рассогласование между текущим и заданным значениями управляемой величины; kp ,Ti ,Td – коэффициент усиления, постоянные времени интегральной и дифференциальной частей соответственно, называемые параметрами (настройки) регулятора. В соответствии с (2.1) управляющее воздействие складывается из трех составляющих: первая пропорциональна величине отклонения; вторая учитывает среднее значение отклонения по всему времени переходного процесса, устраняя статическую (остаточную) ошибку управления; третья учитывает динамику изменения отклонения. Учитывая преимущества ПИД-закона регулирования (структура алгоритма позволяет легко реализовать П-, ПИ-, ПД- и ПИД- законы регулирования), производители ПЛК включают этот алгоритм в структуру программного обеспечения контроллера. Большинство контроллеров позволяют осуществить автоматический поиск оптимальных параметров ПИД-регулятора из условия минимума среднеквадратичной ошибки регулирования для конкретного физического объекта. Режим автоматизированной настройки параметров регулятора, как правило, реализуется для ПИ-регулятора, при этом постоянная времени дифференцирования рассчитывается в определенном соотношения с постоянной времени интегрирования и составляет (исходя из практики) Td = Ti/4,5. Существуют различные способы автоматизированной настройки параметров регулятора – графоаналитический (подача на вход объекта ограниченного ступенчатого возмущения и автоматический расчет параметров Kp и Ti), расчет оптимальных параметров регулятора по времени запаздывания объекта, по периоду колебаний контура при пропорциональном регулировании, а также автоматизированная настройка параметров ПИ-регулятора по параметрам колебаний, возбуждаемых в контуре регулирования после включения в него двухпозиционного релейного элемента с фазосдвигающим фильтром. Последний метод, предложенный В.Я. Ротачем, реализован в отечественных микропроцессорных регуляторах серий МИНИТЕРМ, ПРОТАР и др. С учетом возможных погрешностей определения оптимальных параметров ПИД-регулятора, связанных с изменением параметров объекта, характером и величиной возмущений и др. факторами, может возникнуть необходимость корректировки полученных параметров, осуществляемая, в частности, по виду переходного процесса в системе. Рассмотрим влияние отдельных настроек регулятора на характер переходного процесса в системе. - Пропорциональная составляющая ПИД-закона позволяет пользователю влиять на время реакции процесса. Чем выше коэффициент усиления kр, тем меньше время реакции и ниже статическая ошибка, но

хуже устойчивость. Тем не менее можно найти компромисс между скоростью и устойчивостью переходного процесса. На рис. 2.53, а показано влияние пропорциональной составляющей на реакцию объекта при ступенчатом изменении задания. - Интегральное воздействие используется для устранения статической ошибки. Чем больше интегральное воздействие (меньше Ti), тем медленнее реакция системы, но тем выше точность в установившемся режиме. На рис. 2.53, б показано влияние интегральной составляющей на характер переходного процесса при ступенчатом изменении задания; - Воздействие по производной позволяет повысить быстродействие системы управления в момент внесения возмущения, когда скорость изменения отклонения велика. При уменьшении скорости изменения отклонения дифференциальная составляющая закона управления теряет свою значимость. Чем больше воздействие по производной (Тd больше), тем больше демпфирование и быстрее реакция системы. При этом следует отметить, что введение производной в закон управления снижает запас устойчивости системы, повышая ее склонность к колебаниям. Особенно опасным это становится при наличии высокочастотных помех в цепях передачи сигналов. На рис. 3.47,в показано влияние дифференциальной составляющей на характер переходного процесса при ступенчатом изменении задания. - Вид переходных процессов при оптимальных настройках регуляторов показан на рис. 2.53, г, д. Таким образом, управление по ПИД-закону происходит следующим образом. В момент возникновения отклонения текущего значения управляемой величины от заданного или при изменении задания в первый момент времени скорость изменения отклонения высока и основное влияние оказывает дифференциальная составляющая. По мере приближения управляемой величины к заданному значению скорость изменения отклонения падает, и на процесс управления оказывают наибольшее влияние пропорциональная составляющая, реагирующая на величину отклонения, а также интегральная составляющая. Выбор настроек ПИД-регулятора зависит от свойств объекта и критерия управления (точность, быстродействие и др.). Исходя из вышеизложенного можно сделать следующие выводы: · П-регулятор целесообразно использовать для управления малоинерционными процессами без запаздывания. П-регулятор имеет статическую ошибку (остаточное рассогласование), которая устраняется введением интегральной составляющей. · ПИ-регулятор за счет непрерывного суммирования даже небольших рассогласований не имеет статической ошибки. · Дифференциальная составляющая вызывает ускоренную реакцию

регулятора на скорость изменения рассогласования, устраняя затухающие колебания. Динамическая и статическая точности ПД-регулятора выше, чем у Прегулятора. ПД-регулятор используется для управления инерционными объектами, в том числе объектами с запаздыванием, и имеет, как и Прегулятор, остаточное рассогласование. Для его устранения используется И-составляющая, т.е. ПИД-регулятор. Параметры Тi и Тd являются постоянными характеристиками регулятора и не зависят от величины рассогласования. Следует помнить, что найденные параметры регулятора являются оптимальными только в рабочей зоне системы, т.е. вблизи заданных значений параметров объекта.

Рис. 2.53. Вид переходных процессов:1-переходной процесс без регулятора; 2-регулирование по ПИД-закону; 3-регулирование по ПИ-закону; 4-регулирование по ПД-закону

На аппаратном уровне ПИД-регулирование контуром включает 3 этапа: § получение одной или более измеряемых величин процесса (от датчиков процесса) и задание уставок (используя внутренние переменные ПЛК или данные от внешних источников); § выполнение ПИД-алгоритма управления; § передачу команд, вырабатываемых в соответствии с характеристиками управляемого устройства, на дискретные или аналоговые выходы. В программном обеспечении того или иного контроллера ПИДрегулятор обычно определен в виде стандартной функции. Функции ПИДрегулирования используют три типа параметров: ü параметры только для чтения, учитываются в начале выполнения функции; ü параметры только для записи, устанавливаются в конце выполнения функции; ü параметры чтения/записи, значение этих параметров учитывается в начале выполнения функции, затем они обновляются по результату выполнения функции. Входные параметры типа Word (слово) – аналоговые величины, представляются в масштабе [0, +10000] и могут быть напрямую подключены к измерительным датчикам через %IWххх аналоговые входы. Выходные параметры типа Bit (бит) управляют дискретными устройствами и могут быть соединены напрямую с переменными %Qху. Таким же образом выходные параметры типа Word управляют аналоговыми устройствами в масштабе [0,+10000] и могут быть напрямую подсоединены к переменным %QWхх.

Рис. 2.54. Система автоматизированного подогрева воды

Параметры типа Word table (таблица слов) %MWxx:yy включают параметры пользователя и данные, необходимые для внутренней работы функции. Функция не выполняется, если в таблице не определены все параметры. Рассмотрим следующий пример. Объектом управления является система автоматизированного подогрева воды (рис. 2.54). Холодная вода нагревается в противоточном теплообменнике ТО, в который также подается теплоноситель. Расход теплоносителя регулируется клапаном К с приводом постоянного тока. Давление холодной воды в магистрали создается насосами М1 и M2 (М1 – основной, М2 – резервный). Задача управления сводится к обеспечению пуска резервного насоса М2 при аварии основного насоса и выбору положения клапана К, обеспечивающего поддержание заданной температуры воды Т. Программа, решающая поставленную задачу, состоит из двух частей: программы управления насосами и программы стабилизации температуры (рис. 2.55).

Рис. 2.55. Программа состоит из двух частей: программа управления насосами и программа стабилизации температуры

Входные переменные: Аlarm_М1 (сигнал неисправности двигателя М1), Аlarm_М2 (сигнал неисправности двигателя М2), Т_wat (температура воды в контуре горячего водоснабжения) снимаются с соответствующих датчиков. Глобальные переменные: Т_stab (задание температуры), Start (пуск насосов) поступают из системы верхнего уровня. Выходные переменные: Start__М1 (пуск двигателя М1), Start_М2 (пуск двигателя М2), Ctrl (управление приводом клапана К) осуществляют воздействие на объект управления. Константы: Кр (коэффициент усиления пропорциональной части ПИД-регулятора), Кi (настройка интегральной составляющей ПИД-регулятора), Кd (настройка дифференциальной составляющей ПИД-регулятора) позволяют получить требуемое качество переходного процесса. Переменные Start и Т_stab являются сетевыми, их значения устанавливаются системой визуализации верхнего уровня (SCADAсистема). При получении сигнала Start и отсутствии сигнала Аlarm_М1 включается двигатель М1. В случае неисправности двигателя М1 (Аlarm_М1= = True) включается двигатель М2. Измеренное на объекте датчиком Т значение воды Т_wat подается на вход блока ПИД-регулятора. Туда же подается заданное значение температуры Т_stab, по рассогласованию с которым осуществляется процесс регулирования расхода теплоносителя при помощи изменения положения регулирующего клапана К. Выходной сигнал Ctrl ограничен разрешенными пределами цифроаналогового преобразования и непосредственно управляет приводом постоянного тока. 2.8.11.2. Составление программ управления объектом Для иллюстрации основных принципов составления управляющих программ для ПЛК на языках IЕС 61131-3 рассмотрим решение следующей задачи управления. Требуется разработать программу управления светофором, обеспечивающим регулировку транспортных потоков в соответствии со следующим графиком: 10 с горит красный свет; 10 с горят красный и желтый сигналы; 10 с горит зеленый свет; 5 с зеленый свет мигает; ^ 5 с горит желтый свет. На рис. 2.56 и 2.57 показано решение данной задачи на языке LD. Нормально разомкнутый контакт First_run, соответствующий дискретному входу контроллера (кнопка включения системы), служит для первого запуска системы с красного света, замыкая через катушку State0

логический контакт State0. Последний активизирует выход контроллера Red, зажигающий красный свет, и одновременно таймер Timer0, служащий для отсчета времени горения красного света. По истечении 10 с выход таймера Timer0 становится равным 1, размыкается контакт State0, красный свет продолжает гореть, срабатывает реле State1, замыкая вход State1, активизирующий вход Yello, зажигающий желтый свет, и таймер Timer1, служащий для контроля времени данного состояния. По истечении 10 с на выходе таймера Timer1 появляется единица, размыкаются выходы Red и Yello (гаснут красный и желтый сигналы), размыкается контакт State1 и замыкается State2, активизирующий следующую ступень, соответствующую горению в течение 10 с зеленого света. По истечении 10 с размыкается выход Green, реле State2 и замыкаются реле и контакт StateЗ, активизирующие ступень 5секундного мигания зеленого света, используется операторская панель (рис. 2.58) с подвеской и клавиатурой, расположенная в щите управления (рис. 2.58). Контроллер и панель оператора обмениваются информацией по «шине» МРI, которая на физическом уровне представляет собой интерфейс RS-485, а на остальных является закрытым корпоративным стандартом фирмы Siemens. В случае выхода контроллера из строя предусмотрена возможность дистанционного ручного управления исполнительными механизмами. Система управления получает от оператора задания на требуемые регламентом значения температур в каждой из зон печи, стабилизируя их воздействием на расход газа. Давление первичного воздуха является функцией давления газа и изменяется соответствующей следящей подсистемой в заданной пропорции. Для реализации непрерывного управления использован библиотечный блок FB42 (ПИ-регулятор) для контроллеров серии S7 фирмы Siemens. Помимо рассмотренных, в АСУТП реализована подсистема розжига горелок, осуществляющая открытие клапанов и подачу искры по заложенному алгоритму, а также подсистема управления отсечными газовыми клапанами для перекрытия подачи газа на горелку в случае возникновения аварийной ситуации. Рассмотренная система сдана в промышленную эксплуатацию в 1998 г. в прокатном цехе №1 ОАО «Северсталь», разработка проекта и пусконаладочные работы выполнены трестом «Севзапмонтажавтоматика».

Рис. 2.58 Операторская панель

2.8.11.3. ПЛК в распределенных системах Распределенные системы управления охватывают полевой, контроллерный и диспетчерский уровни иерархии. Под распределенной системой управления понимают совокупность микропроцессорных устройств (промышленных компьютеров, контроллеров, интеллектуальных терминалов), объединенных в коммуникационную сеть для обмена и накопления данных и действующих совместно для решения общей задачи. По другому определению под РСУ понимается такая система, в которой управления территориально отдалены от управляемых объектов, а сами объекты также могут быть территориально распределены друг относительно друга. К числу наиболее известных РСУ, внедренных в различных отраслях промышленности, можно отнести TDC-3000 (фирма Honeywell), Damatic (Valmet), Centum (Yokogava), Contronic (Hartman&Braun), МСКУ-2 («Импульс»), Техноконт (Текон) и др. В структуру РСУ любого масштаба входят микропроцессорные средства сбора, обработки, отображения и хранения информации, программируемые логические контроллеры, промышленные компьютеры, преобразователи, др. средства автоматизации (датчики, исполнительные механизмы), связанные друг с другом локальными вычислительными сетями (LAN). Наличие промышленных сетей, объединяющих десятки сотни узлов сети, позволяет создавать полномасштабные распределенные системы управления, реализующие подчас сложные алгоритмы управления.

2.8.11.4. АСУ ТП печей обжига цементного клинкера В конце 2000 г. СанктПетербургской компанией «Стела Инжиниринг» была сдана в эксплуатацию АСУТП печей обжига цементного клинкера (АСУТП «Обжиг2») на ОАО Пикалёвское объединение «Глинозём» (рис. 2.59). Комплекс технических средств АСУТП «Обжиг-2» Рис. 2.59. Общий вид создан на базе ПЛК GE Fanuc 90-30 и Пикалевского объединения технических средств КИПиА фирмы «Глинозём» «Jumo». АСУТП «Обжиг-2» предназначена для автоматизации оперативнодиспетчерского управления технологическим процессом обжига во вращающихся печах с колосниковыми холодильниками, работающими на газовом топливе, и решает следующие задачи: · повышение качества управления процессом обжига в печах; · повышение надёжности и ремонтопригодности системы управления; · сокращение сроков обслуживания и ремонта; · снижение расхода топлива и затрат на обслуживание системы; · повышение безопасности и стабильности технологического процесса; · увеличение срока стойкости футеровки; · повышение производительности печи и качества клинкера; · прогнозирование технологических работ оборудования; · накопление информации о технологическом процессе. Информационная мощность АСУТП: Общее число входных/выходных сигналов - 714. В том числе сигналов: контролируемых аналоговых (расходы, давления, температуры) - 306. контролируемых дискретных - 303. управляющих дискретных - 105. АСУТП «Обжиг-2» представляет собой распределённую иерархическую систему (рис. 2.60). На каждую печь предусматривается один резервированный контроллер GЕ Fanuc серии 90-30 в «горячем» конце печи и система децентрализованного ввода/вывода Field Control

фирмы GЕ Fanuc в «горячем» и «холодном» концах печи. ПЛК серии 90-30 и Field Control всех печей соединяются между собой по сети Genius Bus. Автоматизированные рабочие места операторов печей (ПЭВМ) соединены с контроллерами и между собой сетью Ethernet. Система предусматривает следующие контуры регулирования: - контур регулирования подачи фосфогипса в печь; - контур регулирования подачи шлама в печь; - контур регулирования расхода природного газа; - контур регулирования расхода мазута; - контур регулирования разрежения отходящих газов в «холодной» зоне печи; - контур регулирования разрежения отходящих газов в «горячей » зоне печи; - контур регулирования давления воздуха острого дутья; - контур регулирования давления воздуха общего дутья.

Рис. 2.60. Распределенная иерархическая система АСУТП «Обжиг-2»

Автоматика безопасности печей реализована на отдельных модулях контроллера. Схема автоматики безопасности разработана для

существующей схемы газоснабжения печи и предусматривает автоматическую отсечку топлива при любом из возможных состояний параметров: · понижении или повышении давления газа перед горелкой; · падении разрежения в пылевой камере печи; · падении разрежения перед дымососами; · падении давления воздуха общего дутья холодильника; · исчезновении напряжения питания.

Рис. 2.61. Один из экранов операторского интерфейса, созданного средствами iFIX

Управление электроприводом отсечного клапана осуществляется контактами выходного релейного модуля контроллера. В АСУТП «Обжиг2» используется программный пакет iFIX v7.0 на 300 точек ввода-вывода фирмы Intellution, Inc. (США). На рис. 2.61 изображен один из экранов операторского интерфейса, созданного средствами iFIX.

Раздел 3

АВТОМАТИЗАЦИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ

3. АВТОМАТИЗАЦИЯ ПРОЦЕССОВ ПРОИЗВОДСТВА БЕТОНА И ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ ИЗДЕЛИЙ И КОНСТРУКЦИЙ 3.1. Автоматизация поточно-транспортных систем 3.1.1. Характеристика транспортных средств как объектов автоматизации На предприятиях стройиндустрии широко используются различного вида транспортные средства непрерывного и периодического действия. Транспортные средства непрерывного действия в основном применяются для перемещения сыпучих (песок, гравий, щебень, цемент и т.п.) и пластичных (бетонная смесь, растворы) материалов по определенной трассе без остановок на загрузку и разгрузку. К этим транспортным средствам относятся конвейеры, пневматические устройства и гравитационные установки. Механизмы непрерывного транспорта промышленного предприятия группируются по участкам и трактам. Участок - это часть транспортных средств, относящихся к определенному технологическому процессу и ограниченных емкостями для хранения материалов; тракт технологическая цепь механизмов внутри участка. При автоматизации транспортных средств непрерывного действия необходимо обеспечить: последовательный пуск механизмов тракта в направлении, обратном потоку транспортируемого материала; избирательную связь транспортирующих механизмов с питателями, клапанами, шиберами и т. п.; отключение транспортирующих механизмов и питателей в случае остановки механизмов, предшествующих по потоку; последовательную остановку механизмов тракта в направлении потока по мере разгрузки от материала. По логике автоматического управления механизмы непрерывного транспорта можно классифицировать как входные, выходные, промежуточные и направляющие. Входные механизмы подают требуемый материал на вход тракта транспортирования, выходные обеспечивают

загрузку материалом соответствующих емкостей, промежуточные транспортируют материалы от входных механизмов к выходным. Направляющие механизмы могут быть внутренними или внешними. Внутренние направляющие механизмы подготавливают определенный тракт транспортирования, а внешние направляют материал в требуемый пункт загрузки. Внешние направляющие механизмы подразделяются на двухпозиционные и многопозиционные. Транспортные средства периодического действия характеризуются наличием рабочего и холостого ходов, а также остановок для загрузки и разгрузки. Они применяются для перемещения грузов в одной плоскости (подъемники, перегружатели, тележки и т.п.) либо в пространстве (башенные, мостовые и другие краны). В качестве необходимого условия автоматизации транспортных средств периодического действия предполагается наличие определенного числа фиксированных остановок рабочего органа механизмов передвижения, подъема и поворота. Основным технологическим требованием, связанным с автоматизацией процесса транспортирования грузов, является требование точной остановки рабочего органа механизма в пункте загрузки или выгрузки. При этом все рабочие циклы, отличаясь по длительности и массе перемещаемого груза, состоят из одних и тех же этапов работы электропривода: пуск, изменение положения механизма, торможение и остановка рабочего органа с требуемой точностью. 3.1.2. Автоматический контроль и сигнализация работы конвейерного транспорта Автоматический контроль конвейерного транспорта предусматривает контроль скорости движения, величины проскальзывания тягового органа (ленты) и его положения на роликоопорах, целости ленты и наличия материалов на ленте конвейера. Для автоматического контроля скорости движения ленты наибольшее распространение получили электрические реле скорости: индукционные, тахометрические и импульсные. Принцип действия индукционного реле скорости (рис. 3.1) основан на преобразовании скорости вращения в пропорциональный ей момент вращения с помощью индукционного элемента вязкого трения. Вращение вала отклоняющего барабана конвейера передается через редуктор 1 постоянному магниту 2, который охвачен латунным стаканом 3. При вращении магнита в латунном стакане наводятся токи Фуко, взаимодействие которых с постоянным магнитом создает вращающий момент, поэтому стакан поворачивается на угол, пропорциональный скорости вращения барабана. Вращающий момент уравновешивается моментом пружин 4. При повороте стакана на определенный угол

происходит включение контактов микровыключателей 5 с помощью кулачков 6.

Рис. 3.1. Кинематическая схема индукционного реле скорости

Рис. 3.2. Принципиальная схема тахометрического реле скорости

Рис. 3.3. Функциональная схема и конструкция импульсного реле скорости

В тахометрических реле скорости (рис. 3.2) в качестве датчика используется ТГ–тахометр переменного тока, ротор которого приводится во вращение от холостой ветви ленты конвейера. Амплитуда выходного напряжения датчика пропорциональна скорости вращения приводного вала. Выпрямленный сигнал датчика скорости поступает на релейный усилитель, содержащий два реле: поляризованное РП и исполнительное РИ. Поляризованное реле обеспечивает необходимую чувствительность, а исполнительное коммутирует цепи управления конвейерной линией. Настройка схемы на заданную скорость срабатывания осуществляется потенциометром R1.

В импульсном реле скорости (рис. 3.3) при вращении зубчатого ферромагнитного барабана 1, связанного с роликом опоры ленточного конвейера, в обмотках 2, расположенных на постоянных магнитах, наводится ЭДС. Частота следования импульсов ЭДС пропорциональна угловой скорости. Выпрямленные импульсы ЭДС поступают на вход полупроводникового усилителя, включающего исполнительное реле РИ, когда частота импульсов достигнет определенного значения.

Рис. 3.4. Конструкции датчиков положения и целости ленты конвейера: а поворотный датчик положения ленты; б - нажимной датчик положения ленты; в роликовый датчик целости ленты

Автоматический контроль величины проскальзывания ленты конвейера можно осуществлять с помощью импульсного реле скорости, исполнительное реле которого имеет низкий коэффициент возврата. В этом случае исполнительное реле включается при разгоне конвейера без нагрузки, а отключается при перегрузке конвейера, в результате которой наблюдается значительное проскальзывание ленты. Автоматический контроль положения ленты на роликоопорах производится механическими датчиками различных конструкций. На рис. 3.4, а показана конструкция поворотного датчика, состоящего из двух роликов 1, которые прижимаются к ленте конвейера противовесом 2, при смещении ленты на сторону один из роликов освобождается и поворачивается рычаг, воздействующий на контактное устройство 3. Нажимной датчик (рис. 3.4, б) состоит из двух лыж 4, установленных в направляющих 5 по обе стороны конвейера. При смещении ленты на сторону одна из лыж перемещается, воздействуя на кнопку микровыключателя. Автоматический контроль целости ленты наиболее часто осуществляется датчиком (рис. 3.4, в), состоящим из ролика 6, опирающегося на холостую ветвь ленты конвейера, и микровыключателя 7. При обрыве ленты ролик провисает, вследствие чего срабатывает микровыключатель. Автоматической контроль наличия материала на ленте конвейера может осуществляться с Рис. 3.5. Электромеханический датчик помощью датчиков прямого или наличия материала на ленте косвенного контроля. В электромеханических датчиках прямого контроля происходит замыкание электрической цепи (контакта) 3 при повороте рычага 1 транспортируемым материалом или под действием его массы (рис. 3.5). В качестве датчиков косвенного контроля применяются радиоактивные и емкостные датчики наличия материала на ленте. Радиоактивные датчики основаны на поглощении потока у частиц ма– териалом, проходящим между источником и приемником излучения. Принцип работы емкостных датчиков основан на изменении емкости антенны или пластин за счет диэлектрической проницаемости материала, отличной от проницаемости воздуха.

ОР

ОР Автогенератор

Усилитель

РИ

РИ

Рис. 3.6. Емкостный датчик наличия материала на ленте конвейера

В качестве примера рассмотрим емкостный датчик (рис. 3.6), состоящий из двух металлических пластин П, электронного блока (автогенератор, усилитель) и исполнительного реле РИ. При поступлении на ленту материала изменяется емкость пластин, в результате чего нарушаются условия самовозбуждения автогенератора и происходит срыв генерации. Это приводит к увеличению постоянной составляющей тока усилителя и включению исполнительного реле, подающего сигнал о наличии материала. Автоматическая сигнализация конвейерного транспорта в основном выполняет следующие задачи: предупреждает о предстоящем пуске (предпусковая сигнализация), информирует о готовности к пуску (ответная сигнализация), указывает положение механизмов тракта (оперативная сигнализация) и т. п. (рис. 3.7).

Рис. 3.7. Предпусковая сигнализация: а - структурная схема; б - временные диаграммы формирования сигналов

Рассмотрим принцип построения схем предпусковой и ответной сигнализации. При пуске удаленных от оператора механизмов обычно применяют принудительную предпусковую сигнализацию, при которой пуск механизма невозможно осуществить без предварительного звукового сигнала (рис. 3.8). В этом случае сигнал С (рис.3.7,б) включения элемента звуковой сигнализации Зв должен иметь длительность τ, достаточную для

принятия необходимых мер рабочим персоналом. Сигнал С можно формировать путем увеличения длительности импульса а от кнопки пуска КнП: C = Ext (a). Пусковой сигнал Р формируется в результате выделения интервала между окончанием сигнала С и началом импульса b от кнопки стоп КнС: P = Int [(1→ 0) C - (0→1) b].

Рис. 3.8. Ответная сигнализация: а - структурная схема; б - временные диаграммы формирования сигналов

Ответную сигнализацию выполняют так, чтобы без разрешения из определенных пунктов нельзя было осуществить централизованный пуск механизмов конвейерного транспорта (см. рис. 3.8). При этом на рабочие места подается сигнал запроса V, который может формироваться путем выделения интервала между началами импульсов а и b от кнопок КнП и КнС соответственно: V = Int [(0→ 1) a - (1→ 0) b]. Разрешающий сигнал xi i–го пункта формируется в результате выделения интервала между началом сигнала Сi от кнопки КнРi и окончанием пускового сигнала Р: xi = Int [(0→ 1) Ci -(1→ 0) P].

При наличии сигнала запроса V и разрешающих сигналов х1 - х3 всех пунктов формируется пусковой сигнал 3

P = V Con ( xi ). i =1

3.1.3. Автоматическое управление конвейерным транспортом Рассмотрим конвейерную линию транспортирования материала из накопительного бункера БН в расходный бункер БР, содержащую питатель Ml, промежуточный М2 и выходной М3 конвейеры (рис. 3.9). Состояние конвейеров контролируется датчиками скорости ДС1, ДС2 и датчиками наличия материала ДМ1, ДМ2. При подаче пускового сигнала Р механизмы тракта последовательно включаются, начиная с выходного конвейера; после снятия сигнала Р механизмы отключаются в обратном Рис. 3.9. Структурная схема автоматического управления конвейерной линией порядке. Наиболее эффективным является пуск конвейерной линии по скорости и остановка после доработки материала. При таком способе управления осуществляется блокировка исполнительных механизмов с пусковым элементом, датчиками скорости и наличия материала. Входной исполнительный механизм Ml блокируется с пусковым элементом (сигнал Р) и датчиком скорости ДС1 (сигнал с1). Промежуточный исполнительный механизм М2 блокируется с пусковым элементом, датчиком скорости ДС2 (сигнал с2) и датчиком наличия материала ДМ1 (сигнал с2). Выходной исполнительный механизм М3 блокируется с пусковым элементом и датчиком наличия материала ДМ2 - сигнал m2 (табл. 3.1).

Таблица 3.1 Алгоритмы формирования командных сигналов управления исполнительными механизмами конвейерного транспорта Наименование механизмов Питатели Плужковые сбрасыватели Двухрукавная течка Промежуточные конвейеры

Выходные конвейеры

Обозначение исполнительных механизмов М1 М1–М3 М1–М3

Характеристка управления Блокировка по совпадению (разрешающая)

Алгоритмы формирования КС Pc1 q1Pc1; q2Pc1; q3Pc1 k1c2; k2c2; k3c2

М3 М2 М1 М4

k1c1 Блокировка по независимым совпадениям (разрешающая)

с 2 ( P Ú m1 ) ; (k1 Ú c 2 )(P Ú m1 ) ;

c 2 [P(q1 Ú q 2 Ú q3 ) Ú m1 ]

М1

P Ú m2 ;

М1

P × Dis (k i s i ) Ú m2 ;

М4 М1

n

Блокировка независимая по совпадениям (разрешающая)

i =1

n

P Ú Dis (mi ) ; i =1

n

P × D(1 ® 0) Dis(ki zi ) Ú m2 ; i =1

k 2 P Ú m2

М2 Поворотная воронка

Сбрасывающая тележка

М2

Селекторное управление (нереверсиный ИМ)

М2

Селекторное управление (маятниковое)

n

Dis (k i si ) i =1

n

P × Dis (k i j i ) -вперед; i =1

n

P × Dis (k ij i ) -назад i =1

Примечание. п - число емкостей, в которые транспортируется материал.

Поток материала можно направлять в различные расходные бункера БР1-БР3 (рис. 3.10) с помощью многопозиционного направляющего механизма - поворотной воронки, положение которой контролируется путевыми выключателями ВП1-ВП3. Выбор расходного бункера определяется селектирующим сигналом ki от переключателя выбора бункеров ВБ. При этом осуществляется селекторное управление исполнительным механизмом М2 поворотной воронки. Включение выходного конвейера производится тогда, когда направляющий механизм займет требуемую позицию, что фиксируется по совпадению сигналов ki и si (si - сигнал i-го путевого выключателя).

Рис. 3.10. Структурная схема автоматического управления поворотной воронкой

Поэтому исполнительный механизм Ml блокируется с пусковым элементом, переключателем ВБ, путевыми выключателями ВП1-ВП3 и датчиком наличия материала ДМ2 (табл.3.1). Расходные бункера БР1-БР3 можно загружать с помощью нескольких двухпозиционных направляющих механизмов – плужковых сбрасывателей Ml-М3 (рис. 3.11). При этом электромагнитный исполнительный механизм каждого плужкового сбрасывателя блокируется с переключателем ВБ и датчиком скорости ДС2. Выходной конвейер М4 отключается при снятии сигнала mi датчика наличия материала в зоне i-го плужкового сбрасывателя. Поэтому исполнительный механизм М4 блокируется с пусковым элементом и датчиками наличия материала ДМ1-ДМ3 (см. табл. 3.1). Для равномерного распределения материала в каждом из отсеков склада ОС1-ОС3 (рис. 3.12) применяют в качестве направляющего механизма М2 сбрасывающую тележку. При подаче пускового сигнала Р тележка М2 совершает маятниковое движение в пределах зоны, ограниченной парой путевых выключателей ВП1-ВП2, ВП3-ВП4 или ВП5-ВП6 с механическим запоминанием срабатывания. Выделяя интервал φi между левой и правой ориентацией обоих датчиков зоны i-го отсека, можно осуществлять селекторное управление направляющим механизмом. В этом случае выбор отсека, загружаемого материалом, определяется селектирующим сигналом ki переключателя выбора отсеков ВО (см. табл. 3.1).

Рис. 3.11. Структурная схема автоматического управления плужковыми сбрасывателями

Рис. 3.12. Структурная схема автоматического управления сбрасывающей тележкой

Включение выходного конвейера Ml производится, когда сбрасывающая тележка входит в зону i-го отсека, что фиксируется по совпадению селектирующего сигнала ki и сигнала zi элемента контроля зоны (на рис. 3.12 не показан): zi = si ri,

где si - сигнал путевого выключателя, расположенного в начале зоны i-го отсека; ri - сигнал путевого выключателя, расположенного в конце зоны iгo отсека. Поэтому исполнительный механизм Ml блокируется с пусковым элементом, переключателем ВО, элементом контроля зоны и датчиком наличия материала ДМ2. Отметим, что сигнал zi становится равным нулю, когда сбрасывающая тележка устанавливает оба путевых выключателя выбранного отсека в одинаковое положение. Затем, после реверсирования тележки, восстанавливается единичное значение сигнала zi. Поэтому для поддержания постоянного значения командного сигнала включения Ml во время маятникового движения тележки без материала необходимо осуществлять задержку на окончание сигнала zi.

Рис. 3.13. Структурная схема автоматического управления двухрукавной течкой

Внутренний направляющий механизм - двухрукавная течка (рис. 3.13) направляет материал в расходный бункер БР1 или на выходной конвейер М2, что определяется сигналами переключателя ВБ. Длительность включения электромагнитного исполнительного механизма М3 шибера течки зависит от времени работы промежуточного конвейера Ml, подающего материал на вход течки. Поэтому исполнительный механизм М3 блокируется с переключателем ВБ и датчиком скорости ДС1. Промежуточный конвейер может транспортировать материал в бункер БР1 или к выходному конвейеру, поэтому исполнительный механизм Ml блокируется с пусковым элементом, переключателем ВБ. датчиками скорости ДС2 и наличия материала ДМ1. Выходной конвейер включается только при

загрузке бункера БР2, поэтому исполнительный механизм М2 блокируется с пусковым элементом, переключателем ВБ и датчиком наличия материала ДМ2 (см. табл. 3.1). При транспортировании материалов, подаваемых на промежуточный конвейер М4 из различных накопительных бункеров БН1-БН3 (рис. 3.14), выбор питателей Ml-М3 определяется селектирующими сигналами q1 - q3 от переключателя ВП. В этом случае исполнительные механизмы Ml-М3 блокируются с пусковым элементом, переключателем БП и датчиком ско рости ДС1. Если такой участок конвейерного транспорта содержит два промежуточных конвейера, сопряженных с общим выходным, то исполнительные механизмы промежуточных конвейеров блокируются с пусковым элементом, переключателем ВП, датчиком наличия материала ДМ1 и датчиком скорости выходного конвейера (см. табл. 3.1).

Рис. 3.14. Структурная схема автоматического управления питателями накопительных бункеров

Рассмотренные комплексы механизмов могут быть составными частями сложных, разветвленных участков конвейерного транспорта. Однако при этом сохраняются указанные блокированные связи, поэтому алгоритмы формирования командных сигналов, приведенные в табл. 3.1, являются типовыми для автоматических систем логико-программного управления конвейерным транспортом. 3.1.4. Автоматическое управление устройствами пневматического транспорта На предприятиях стройиндустрии пневматические устройства в основном используются для транспортирования цемента, который хранится в

специальных банках (силосах). При этом можно выделить два характерных процесса: выдача цемента из банок и загрузка их цементом. Рассмотрим, как осуществляется автоматическое управление исполнительными механизмами пневматических устройств при выдаче цемента (рис. 3.15). Донные разгружатели М1–1 и М1–2, работая поочередно, подают цемент из банки на вход нижнего аэрожелоба, по которому он транспортируется в промежуточный бункер БП воздушным потоком вентилятора М2. Затем с помощью пневмовинтового насоса (исполнительные механизмы М3 и М4) цемент транспортируется в приемный пункт. Уровень цемента в бункере БП контролируется датчиками верхнего (У1) и нижнего (У2) уровней. Режим работы пнемовинтового насоса контролируется с помощью реле давления РД воздуха в камере насоса. При подаче пускового сигнала Q исполнительные механизмы включаются в такой последовательности: вентиль М4 подачи сжатого воздуха в камеру пневмовинтового насоса, двигатель М3 шнека, вентилятор М2 нижнего аэрожелоба, донный разгружатель М1–1 или М1–2. После снятия сигнала Q исполнительные механизмы отключают в обратном порядке с выдержкой времени на доработку цемента аэрожелобом и пневмовинтовым насосом.

Рис. 3.15. Структурная схема автоматического управления процессом выдачи цемента

Если в процессе работы пневматических устройств бункер БП заполняется цементом до уровня датчика У1, то донные разгружатели вентилятор нижнего аэрожелоба отключаются на время разгрузки БП до уровня датчика У2. С этой целью необходимо формировать блокировочный сигнал φ, соответствующий интервалу времени от момента начала сигнала у1 датчика У1 до момента окончания сигнала у2 датчика У2: φ = Int [(0→ 1) y1 - (1→ 0) y2]. (3.1) Этот алгоритм реализуется элементом контроля состояния бункера БП.Поочередную работу донных разгружателей М1–1 и М1–2 можно обеспечить путем разделения во времени смежных циклов выдачи цемента. При этом в качестве сигнала окончания текущего цикла используется сигнал d реле давления РД. Поэтому алгоритм формирования сигнала х, разрешающего включение разгружателя М1–1 и запрещающего включение М1–2, x = Int (1→ 0) d). (3.2) Таблица 3.2 Алгоритмы формирования командных сигналов управления исполнительными механизмами пневматических устройств Наименование маханизмов Шибер верхнего аэрожелоба Донные разгружатели Пневматический разгрузчик Вентилятор нижнего аэрожелоба Шнеки пневмо винтового насоса, эрлифта Вентиль подачи сжатого воздуха (эрлифт) Вентиль подачи сжатого воздуха (насос) Вентилятор верхнего аэрожелоба

Обозначение исполнительных механизмов М5 М1–1 М1–2 М1

М2

М3 М2 М3 М4 М4

Характеристика управления Блокировка по совпадению (разрешающая) Блокировка по совпадению (комбинированная) Блокировка по независимым совпадениям (комбинированная) Блокировка по независимым совпадениям (разрешающая) Блокировка независимая (разрешающая)

Алгоритмы формирования КС k1v4 Qv2x Gv 2 x Gv 2 j

jv3 [Q Ú D (1 ® 0)(v11 Ú v12 )] d [Q Ú D (1 ® 0) y 2 ]

d [G Ú D (1 ® 0) y 2 ] v 4 [G Ú D(1 ® 0) y 2 ] Q Ú D(1 ® 0) y 2

G Ú D(1 ® 0)d

Если требуется более частое переключение донных разгружателей, то вместо сигнала d следует использовать сигнал генератора импульсов. Тогда длительность включения каждого разгружателя равна периоду повторения импульсов. Формирователь сигнала х будем называть элементом циклической работы. При таких условиях входные исполнительные механизмы М1–1 и М1–2 блокируются со следующими элементами: пусковым (сигнал Q), контроля состояния - включен или выключен - вентилятора М2 (сигнал v2) и циклической работы (табл. 3.2). Промежуточный исполнительный механизм М2 блокируется с пусковым элементом и элементами контроля состояния разгружателей М1–1, М1–2 (сигналы и11, vl2) и бункера БП. При этом для доработки цемента нижним аэрожелобом после снятия пускового сигнала Q необходимо осуществлять задержку на окончание сигналов v11 и v12.

Рис. 3.16. Структурная схема автоматического управления процессом загрузки цемента

Промежуточный исполнительный механизм М3 блокируется с пусковым элементом, реле давления РД воздуха в камере пневмовинтового насоса и датчиком нижнего уровня У2. При этом для доработки цемента пневмовинтовым насосом после снятия пускового сигнала Q необходимо осуществлять задержку на окончание сигнала у2.

Выходной исполнительный механизм М4 блокируется с пусковым элементом и датчиком нижнего уровня У2. Поскольку вентиль М4 подачи сжатого воздуха в камеру пневмовинтового насоса отключается одновременно с двигателем М3 шнека, то в этом случае также необходимо осуществлять задержку на окончание сигнала у2. Рассмотрим работу пневматических устройств при загрузке цементом банки Б1 (рис. 3.16). Вначале цемент подается пневматическим разгрузчиком Ml в промежуточный бункер БП, откуда транспортируется эрлифтом (исполнительные механизмы М2 и М3) на вход верхнего аэрожелоба. Воздушным потоком вентилятора аэрожелоба М4 цемент подается в банку Б1 через направляющий шибер М5. Уровень цемента в бункере БП контролируется датчиками верхнего (У1) и нижнего (У2) уровней, а режим работы эрлифта - с помощью реле давления воздуха РД. При подаче пускового сигнала G исполнительные механизмы включаются в такой последовательности: вентилятор М4 верхнего аэрожелоба, направляющий шибер М5 и вентиль М3 подачи сжатого воздуха в камеру эрлифта, двигатель М2 шнека, пневматический разгрузчик Ml. После снятия сигнала G исполнительные механизмы отключаются в обратном порядке с выдержкой времени на доработку цемента эрлифтом и аэрожелобом. Если в процессе работы пневматических устройств промежуточный бункер БП заполняется до датчика верхнего уровня У1, то отключается исполнительный механизм Ml на время разгрузки БП до датчика нижнего уровня У2. Это можно осуществлять с помощью элемента контроля состояния бункера БП (уровня материала) (рис. 3.16). В этом комплексе пневматических устройств входной исполнительный механизм Ml блокируется с пусковым элементом (сигнал G) и элементами контроля состояния шнека М2 (сигнал v2 ) и бункера БП (сигнал φ) (см. табл. 3.2). Промежуточный исполнительный механизм М2 блокируется с пусковым элементом, реле давления РД (сигнал d) и датчиком нижнего уровня У2. При этом для доработки цемента эрлифтом после снятия пускового сигнала G необходимо осуществлять задержку на окончание сигнала у2. Промежуточный исполнительный механизм М3 блокируется со следующими элементами: пусковым, контроля состояния вентилятора М4 (сигнал v4) и датчиком нижнего уровня У2. Поскольку вентиль МЗ подачи сжатого воздуха в камеру эрлифта отключается одновременно с двигателем М2 шнека, то в этом случае также необходимо осуществлять задержку на окончание сигнала у2. Выходной исполнительный механизм М4 блокируется с пусковым элементом и реле давления РД. При этом для доработки цемента верхним аэрожелобом после снятия пускового сигнала G необходимо осуществлять

задержку на окончание сигнала d. Направляющий исполнительный механизм М5 блокируется с переключателем выбора банок ВБ (сигнал) и элементом контроля состоянии вентилятора М4 верхнего аэрожелоба, подающего цемент на вход шибера. Рассмотренные комплексы пневматических устройств могут быть составными частями сложных, разветвленных участков пневматического транспорта. Однако при этом сохраняются описанные блокировочные связи, поэтому алгоритмы формирования командных сигналов, приведенные в табл. 3.2, являются типовыми для автоматических систем логико– программного управления пневматическим транспортом. 3.1.5. Автоматическое управление транспортными машинами периодического действия На предприятиях стройиндустрии транспортные машины периодического действия обеспечивают доставку штучных грузов или дискретных порций материалов из одних пунктов в другие. Управление такими машинами осуществляется на основании технологической схемы адресных связей. При этом вдоль транспортной линии имеются позиции задания или приема адреса либо комбинированные позиции, выполняющие обе функции. В системах адресования обычно осуществляется стартстопное или селекторное управление исполнительными механизмами перемещения. При стартстопном управлении используют адресоносители или контролируют перемещение грузонесущего механизма. В системах с адресоносителями маршрут каждого грузонесущего механизма в кодированном виде задается адресным устройством, смонтированным на грузоносителе. Рассмотрим транспортную линию, вдоль которой расположено п позиций, обслуживаемых самоходной тележкой (рис. 3.17). Каждая позиция оборудуется путевыми датчиками ДП1-ДП3, переключателями установки адреса В1-В3 и логической схемой (элементы ИЛИ-НЕ, И), которая осуществляет сравнение кодов адресоносителя и данного пункта. При этом элемент ИЛИ-НЕ выявляет соответствие в кодовых комбинациях нулей, а элемент И при положительном результате первой ступени сравнения выявляет соответствие единиц. В случае совпадения адресов в i–u пункте формируется сигнал pi - остановки двигателя тележки М. При двоичном кодировании адресов необходимое количество g датчиков (переключателей) определяется из условия 2g – 1 ≥ n. Здесь величина 2g - 1 представляет собой все возможные кодовые комбинации, кроме кода нуля, который не используется при адресовании, поскольку соответствует положению тележки между любыми смежными

позициями (соседними пунктами). В качестве адресоносителя применяется смонтированная на тележке адресная плата АП с выступающими пластинами. Установка необходимого адреса на плате может производиться различными способами (копирами, кулачковым механизмом, электромагнитами и пр.). Если направление перемещения тележки задается импульсами аi вперед или bi - назад от кнопок, расположенных в каждой адресной позиции, то стартовые сигналы имеют вид (3.3)

Следовательно, алгоритмы формирования командных сигналов включения двигателя тележки вперед Мв и назад Мн следующие:

(3.4)

Контроль перемещения грузоносителей можно производить в функции времени или в функции пути. При контроле в функции времени система адресования не имеет обратной связи с транспортной сетью, и накопление адресной информации происходит в результате отсчета временных интервалов. В этом случае точность определения адреса зависит от колебаний скорости движения грузоносителей. Поэтому такие системы адресования можно применять только при стабилизированной скорости грузоносителя. При контроле в функции пути дискретной единицей адресной информации является электрический сигнал от датчика, определяющего перемещение грузоносителя на определенный отрезок пути (шаг транспортирования). В этом случае контрольное устройство отображает положение грузоносителя на линии транспортирования и фиксирует момент прохождения адресных позиций. Наиболее просто такие устройства реализуются с помощью сдвиговых регистров или счетчиков импульсов.

Рис. 3.17. Структурная схема управления тележкой с использованием адресоносителя

Рассмотрим систему адресования (рис. 3.18), в которой перемещение самоходной тележки контролируется реверсивным двоичным счетчиком триггеры Т1-ТЗ. В адресных позициях установлены путевые датчики ДП1-ДП7, определяющие положение тележки при появлении сигналов от датчиков.

3.2. Автоматизация складов материалов и изделий 3.2.1. Характеристика складов как объектов автоматизации На заводах железобетонных конструкций склады в основном используются для хранения цемента, заполнителей бетона и железобетонных изделий. В зависимости от рода материалов, подлежащих хранению, склады имеют характерные особенности и могут быть классифицированы по ряду признаков. Склады цемента подразделяются на закромные, бункерные и силосные, оборудованные механическим (элеваторы, шнеки) и пневматическим транспортом (винтовые и камерные пневмонасосы, эрлифты, аэрожелоба). На предприятиях стройиндустрии наибольшее распространение получили бункерные и силосные склады цемента как более совершенные. Бункерные склады цемента имеют ряд отсеков, заканчивающихся внизу коническими бункерами, из которых цемент гравитационно

(самотеком) поступает в винтовые конвейеры, элеваторы или винтовые пневматические насосы для дальнейшего транспортирования на бетонный завод или транспортные средства. Загрузка бункерного склада может осуществляться различными средствами: механическими разгрузочными лопатами и через приемные бункера винтовыми конвейерами или пневматическим транспортом. В силосных складах для хранения цемента используют металлические или железобетонные силосы (банки). В типовых прирельсовых складах цемент из железнодорожных вагонов поступает в приемные бункера, откуда транспортируется в силосы. Выдача цемента из силосов производится с помощью донных разгружателей (на бетонный завод) или блоковых разгружателей (на автотранспорт). Вертикальный транспорт цемента осуществляется ленточными элеваторами или эрлифтом, горизонтальный транспорт - винтовыми конвейерами, пневмовинтовыми насосами и аэрожелобами. Автоматизация складов цемента заключается в автоматическом контроле уровня цемента в емкостях хранения, загрузке емкостей, выдаче требуемой марки цемента по сигналам запроса из бетоносмесительного отделения и перекачке цемента из одной емкости в другую при длительном хранении на складе. Склады заполнителей бетона можно подразделять следующим образом. По виду внешнего транспорта различают склады прирельсовые с поступлением материалов в железнодорожном подвижном составе, с доставкой материалов автомобильным или водным транспортом. По способам механизации выгрузки материалов из внешних транспортных средств различают склады с гравитационной разгрузкой, с разгрузкой сталкиванием, черпанием и гидромеханизированным способом. По методам загрузки могут быть склады с приемными устройствами и системой машин для штабелирования материалов или без приемных устройств - с непосредственной подачей материалов из транспортных средств в емкости хранения, а также склады, оборудованные машинами, совмещающими операции выгрузки и штабелирования материалов. По методам разгрузки склады разделяются на разгружаемые методом гравитации и специальными машинами - грейферными кранами, самоходными разгрузчиками, экскаваторами или другими машинами. По способу хранения склады могут быть открытыми, закрытыми или частично закрытыми. По типу емкостей хранения различают склады штабельные, бункерные, полубункерные, штабельно-полубункерные и силосные. Автоматизация складов заполнителей заключается в автоматической выгрузке прибывающего в железнодорожных вагонах материала, загрузке

емкостей, выдаче материала требуемой фракции по сигналам запроса из бетоносмесительного отделения, сушке и нагреве выдаваемого со склада материала. В условиях предприятий стройиндустрии необходимо обеспечить оперативный учет количества принимаемых и отпускаемых материалов для получения сведений об истинной величине запаса цемента и заполнителей на складах. На складах железобетонных изделий погрузочно-разгрузочные работы механизированы и осуществляются в основном с помощью мостовых и козловых кранов. В зоне действия крана вдоль подъездных путей и сквозных проездов располагаются складские площадки со штабельным или кассетным хранением изделий, уложенных на деревянных подкладках с применением прокладок. Автоматизация складов железобетонных изделий может быть осуществлена на основе программно–дистанционного управления механизмами кранов. В этом случае предусматривается автоматическое адресование крана по заданным координатам склада и дистанционное управление механизмами подъема. Все команды должны передаваться по радиоканалам, поскольку такелажник управляет краном из различных пунктов склада. 3.2.2. Автоматическое управление оборудованием склада цемента Склад цемента, оборудованный пневмотранспортом (рис. 3.18, а), состоит из шести банок Б1–Б6 с датчиками верхнего (В1–В6) и нижнего (Hl–1–H6–1) уровней. Склад может работать в трех режимах: загрузки, перекачки и выдачи цемента в бетоносмесительное отделение (БСО). При выдаче цемента работают донные разгружатели М6–1 – М6–2 определенной банки, вентилятор нижнего аэрожелоба четной (М8) или нечетной (М7) группы. При этом через соответствующий шибер М10 или М9 материал поступает в промежуточный бункер БП1, состояние которого контролируется датчиками верхнего (У1) и нижнего (У2) уровней. С помощью пневмовинтового насоса, включающего в себя шнек M11 и вентиль М12, цемент подается в бетоносмесительное отделение. При перекачке цемент поступает в один из промежуточных бункеров БП2 или БП3, а затем эрлифтом (исполнительные механизмы М13–М14 или М15– М16) подается на вход верхнего аэрожелоба. Один из шиберов Ml–М5 верхнего аэрожелоба направляет цемент в соответствующую банку. При загрузке цемент поступает в промежуточный бункер БП2 или БП3, а затем подается в одну из банок так же, как в режиме перекачки. Режим работы задается пусковыми сигналами выдачи Q, загрузки G и перекачки Р. При выдаче цемента выбор разгружаемых банок определяется селектирующими сигналами b1 – b2 от переключателя выдачи. При этом объединяются сигналы выбора четных (bj) и нечетных (bi) банок с целью

формирования сигналов принадлежности выбранной банки к четной (Вч) или нечетной (Bн) группе: Вч = b2 \/ b4 \/ b6 ; Вн = b1 \/ b3 \/ b5 .

(3.5) (3.6)

При подаче пускового сигнала Q включаются исполнительные ме– ханизмы тракта выдачи цемента в такой последовательности: вентиль Ml2 подачи сжатого воздуха в камеру пневмовинтового насоса, двигатель M11шнека насоса, вентилятор М7 или М8 нижнего аэрожелоба, шибер нечетных (М9) или четных (М10) банок и донные разгружатели выбранной банки, работающие поочередно. Отключение исполнительных механизмов происходит после снятия сигнала Q. Вначале отключаются донные разгружатели, затем с задержкой во времени на доработку цемента отключаются вентилятор нижнего аэрожелоба и соответствующий шибер. Двигатель шнека МП и вентиль М12 также отключаются с задержкой во времени на доработку после опорожнения промежуточного бункера БП1. В режиме выдачи цемента (табл. 3.3) входные исполнительные механизмы – донные разгружатели – блокируются с пусковым элементом, переключателем выдачи, элементом циклической работы и элементами контроля состояния вентилятора М7 (разгружатели нечетных банок) или вентилятора М8 (разгружатели четных банок). Промежуточные исполнительные механизмы М7 и М8 блокируются с переключателем выдачи и следующими элементами: пусковым, контроля состояния бункера БШ и разгружателей нечетных или четных банок. При этом для доработки цемента нижними аэрожелобами после снятия пускового сигнала Q необходимо осуществлять задержку на окончание сигналов, характеризующих состояние донных разгружателей. Направляющие исполнительные механизмы М9 и М10 блокируются с реле контроля давления воздуха РД1 и элементами контроля состояния вентиляторов нижних аэрожелобов. Промежуточный исполнительный механизм МП блокируется с пусковым элементом, реле контроля давления воздуха РД1 и датчиком нижнего уровня У2 бункера БШ. При этом для доработки цемента пневмовинтовым насосом после снятия пускового сигнала Q необходимо осуществлять задержку на окончание сигнала датчика У2.

Рис. 3.18. Склад цемента: а– технологическая схема склада; б– структурная схема устройства выбора банок

Таблица 3.3 Алгоритмы формирования командных сигналов в режиме выдачи цемента Обозначение исполнительных механизмов (рис 3.18)

Алгоритм формирования КС

Разгружатели нечетных банок

Mi–1, Mi–2 (i = 1,3,5)

BiQv7x; BiQv7x

Разгружатели четных банок

Mj–1, Mj–2 (i = 2,4,6)

Наименование механизмов

_

_

Шибер нечетных банок

M9

BjQv8x; BjQv8x 5 φ1v11[BнQ\/D(1→0)Dis(vi1\/vi2)] i=1 6 φ1v11[BчQ\/D(1→0)Dis(vj1\/vj2)] j=2 d1v7

Шибер четных банок Шнек пневмовинтового насоса Вентиль подачи сжатого воздуха

M10

d1v8

M7 Вентиляторы нижних аэрожелобов M8

M11

d1 [Q \/ D (1→0)y21]

M12

Q \/ D (1→0)y21

Примечание. d1 – сигнал реле контроля давления воздуха РД1; φ1–сигнал, соответствующий интервалу времени между моментами заполнения БП1 до датчика верхнего уровня У1 и опорожнения до датчика нижнего уровня У2; vk – сигнал, характеризующий состояние (включен – выключен) k-го исполнительного механизма; х – селектирующий сигнал, определяющий очередность работы донных разгружателей; y21 – сигнал датчика нижнего уровня У2 бункера БП1. Таблица 3.4 Алгоритмы формирования командных сигналов в режиме загрузки цемента Наименование механизмов Шибера верхнего аэрожелоба Вентилятор верхнего аэрожелоба Шнеки эрлифтов Вентили подачи сжатого воздуха

Обозначение исполнительных механизмов (рис 3.18)

Алгоритм формирования КС

M1–M5

k1v6; k2v6; k3v6; k4v6; k5v6;

M6

G \/ D (1→0) (d2 \/ d3)

M13 M15 M14 M16

d2 [G \/ D (1→0)y22] d3 [G \/ D (1→0)y23] vв [g2G \/ D (1→0)y22] vв [g3G \/ D (1→0)y23]

Примечание. d2 и d3 – сигналы реле контроля давления воздуха РД2 и РДЗ соответственно; y22 и y23 – сигналы датчиков нижнего уровня У2 бункеров БП2 и БПЗ соответственно.

Выходной исполнительный механизм M12 блокируется с пусковым элементом и датчиком нижнего уровня У2 бункера БП1. Поскольку вентиль подачи сжатого воздуха отключается одновременно с двигателем шнека МП, то в этом случае также необходимо осуществлять задержку на окончание сигнала датчика У2. При загрузке цемента выбор загружаемых банок определяется селектирующими сигналами k1 – k5 от переключателя загрузки. В этом случае включается требуемый шибер верхнего аэрожелоба. Если все шибера Ml–М5 отключены, то цемент направляется в банку Б6. Выбор эрлифта определяется селектирующими сигналами g2 и g3 от переключателя эрлифтов. При подаче пускового сигнала G включаются исполнительные механизмы тракта загрузки цемента в такой последовательности: вентилятор М6 верхнего аэрожелоба, один из шиберов Ml–М5 верхнего аэрожелоба, вентиль Ml4 или Ml6 подачи сжатого воздуха в камеру эрлифта, двигатель М13 или М15 шнека эрлифта. Отключение исполнительных механизмов происходит после снятия сигнала G. После опорожнения промежуточного бункера БП2 или БП3 отключаются вентиль и шнек эрлифта с задержкой во времени на доработку цемента. Затем отключаются вентилятор М6 и шибер верхнего аэрожелоба. В режиме загрузки цемента (табл. 3.3) промежуточные исполнительные механизмы М14 и Ml6 блокируются с пусковым элементом, если марки цемента нескольких банок находятся в одинаковых положениях, то выбирается банка с наименьшим порядковым номером. Это обеспечивается сигналами запрещающей блокировки, которая осуществляется в направлении от банок с меньшими порядковыми номерами к банкам с большими порядковыми номерами. Выбор разгружаемой банки возможен только при наличии в ней цемента, что контролируется парой датчиков Нi1, Нi2 нижнего уровня. Поэтому при формировании сигналов выбора i-й банки необходимо учитывать значение сигнала наличия материала mi= hi1 \/ hi2, где hi1 и hi2 – сигналы датчиков нижнего уровня Нi1 и Нi2 соответственно. Таким образом, алгоритм формирования сигнала bi выбора i-й банки можно записать в виде i–1 _

bi = qkmiCon (bn). n=1

Сигналы принадлежности выбранной банки к четной Bч или нечетной Вн группе формируются в соответствии с алгоритмами. Продолжительность выдачи цемента в бетоносмесительное отделение зависит от длительности сигналов запроса q1 – q4. При рассмотренном способе формирования сигналов выбора разгружаемой банки и ее групповой принадлежности длительность сигналов bi, bj, Вн и Вч соответствует длительности сигналов запроса. Следовательно, алгоритмы формирования командных сигналов (см. табл. 3.5) включения донных разгружателей и вентиляторов нижних аэрожелобов можно упростить путем исключения пускового сигнала Q. В данном случае этот сигнал формируется в результате объединения сигналов запроса. 4

Q = Dis(qk). k=1

Датчики верхнего уровня В1–В6 цемента в банках (рис. 3.18, а) используются оператором склада для контроля процессов загрузки и перекачки. Таблица 3.5 Общие алгоритмы формирования командных сигналов в режимах выдачи, загрузки и перекачки цемента Наименование механизмов Разгружатели нечетных банок Разгружатели четных банок

Обозначение исполнительных механизмов (рис 3.18) Mi–1, Mi–2 (i = 1,3,5) Mj–1, Mj–2 (i = 2,4,6)

Алгоритм формирования КС _

xbiv7 (Q \/P); xbiv7 (Q \/P) _

xbjv8 (Q \/P); xbjv8 (Q \/P) _

_

(φ1v11 \/ φ3v15)[Bн(Q \/P) \/ M7

5

D(1→0)Dis(vi1\/vi2)]

Вентиляторы нижних аэрожелобов

i=1

_

_

(φ1v11 \/ φ2v13)[Bч(Q \/P) \/ M8

6

D(1→0)Dis(vj1\/vj2)] j=2

Вентилятор верхнего аэрожелоба Шнек эрлифтов Вентиль подачи сжатого воздуха

M6

G \/ D (1→0) (d2 \/ d3)

M13 M15 M11 M16

d2 [G \/ D (1→0)y22] d3 [G \/ D (1→0)y23] vв [g2G \/ D (1→0)y22] vв [g3G \/ D (1→0)y23]

3.2.3.Автоматическое управление оборудованием склада заполнителей Рассмотрим, как осуществляется автоматическое управление оборудованием склада заполнителей закрытого типа с надштабельным конвейером (рис. 3.19, а). Склад состоит из пяти отсеков, в которые поступает материал по двум трактам: с автомобильного и с железнодорожного транспорта. Материал из отсеков склада также выгружается по двум трактам: в бетоносмесительное отделение и в автомобильный транспорт. При автоматическом управлении оборудованием склада заполнителей должна обеспечиваться определенная очередность включения и отключения исполнительных механизмов конвейерного транспорта. В работе склада предусматриваются следующие четыре режима загрузки: 1) материал поступает в отсек 1 с автомобильного транспорта; 2) материал поступает в отсеки 2–5 с автомобильного транспорта; 3) материал поступает в отсеки 2–5 с железнодорожного транспорта; 4) материал поступает в отсек 1 с железнодорожного транспорта. В каждом режиме загрузки работающие питатели П1–П7 определяются селектирующими сигналами gl–g2 от переключателя выбора питателей, а загружаемые материалами отсеки склада – сигналами k1– k5 от переключателя выбора отсеков. Состояние каждого конвейера контролируется датчиками скорости ДС и датчиками наличия материала ДМ. Положение сбрасывающей тележки Н2 контролируется путевыми выключателями ВП1–ВП8 с механическим запоминанием срабатывания. В 1-м режиме загрузки питатель П7 подает материал на промежуточный конвейер М4. Затем через перегрузочное устройство материал поступает на промежуточный конвейер M5 и направляется шибером H1 двухрукавной течки в отсек 1. При подаче пускового сигнала G исполнительные механизмы тракта включаются последовательно: промежуточный М5, направляющий H1, промежуточный М4 и входной П7. После снятия сигнала G первым отключается входной исполнительный механизм П7, затем, по мере доработки материала, отключаются промежуточные М4, М5 и направляющий H1. В этом режиме исполнительный механизм П7 блокируется с пусковым элементом и датчиком скорости ДС4 (сигнал с4); М4 блокируется с пусковым элементом, переключателем выбора питателей, датчиками скорости ДС5 (сигнал с5) и наличия материала ДМ4 (сигнал m4); M5 блокируется с пусковым элементом, переключателем выбора отсеков и датчиком наличия материала ДМ5 (сигнал m5); H1 блокируется с переключателем выбора отсеков и датчиком скорости ДС5 (табл. 3.6).

Рис. 3.19. Склад заполнителей: а– технологическая схема склада; б– структурная схема формирования командных сигналов управления питателями отсека 1

Таблица 3.6 Алгоритмы формирования командных сигналов в режимах загрузки Наименовани е механизмов Питатели

Обозначение исполнительны х механизмов (рис. 3.18) П1, П2, П3 П4, П5, П6 П7

Алгоритм формирования КС в режимах загрузки 1–м

2–м

3–м

4–м

– – Gc4

g1Gc1; g2Gc1; g3Gc1; g4Gc2; g5Gc2; g6Gc2; –

–

c3[G * Dis(gi)\/ m1]

6

M1

–

M2 Промежуточ ные конвейры

i=1 6

c3[G * Dis(gi)\/ m2] i=4 6

–

M3

c5[G * Dis(gi)\/ m3] i=1

c5(g7G \/ m4)

M4

(k1 \/ c6) (G \/ m5)

M5 Двухрукавна я течка

H1

–

k1c5

– 5

Сбрасывающ ая тележка

k1c5 _

Hв = G*Dis(kiφi); H2

i=2

–

5

–

Hн = G*Dis(kiφi); i=2

G*D (1 → 0) Выходной конвейр

M6

–

5

Dis(kizi)\/mв

–

i=2

Примечания: 1. Общий алгоритм формирования КС управления исполнительным механизмом М5 получен в результате объединения частных алгоритмов k1(G\/l m5) и c6 (G\/m5). 2. Сигнал φi формируется путем выделения интервалов между левой и правой ориентациями обоих датчиков i-го отсека.

Во 2-м режиме загрузки подаваемый питателем П7 материал транспортируется промежуточными конвейерами М4, М5 и направляется шибером H1 двухрукавной течки на вход выходного конвейера М6. Сбрасывающая тележка совершает маятниковое движение в пределах заданного отсека, обеспечивая равномерное распределение поступающего материала вдоль отсека. При подаче пускового сигнала G включается исполнительный механизм тележки Н2. Когда тележка войдет в зону заданного отсека, последовательно включаются исполнительные

механизмы тракта: выходной М6, промежуточные М5, М4 и входной П7. После снятия сигнала G первыми отключаются исполнительные механизмы П7 и Н2, затем, по мере доработки материала, отключаются М4, М5 и М6. В этом режиме исполнительные механизмы П7 и М4 блокируются так же, как в 1-м режиме загрузки; М5 блокируется с пусковым элементом, датчиками скорости ДС6 (сигнал с6) и наличия материала ДМ5; М6 блокируется с пусковым элементом, датчиком наличия материала ДМ6 (сигнал m6), переключателем выбора отсеков и элементом контроля зоны i-го отсека (сигнал zi). При этом осуществляется селекторное управление исполнительным механизмом тележки Н2 (табл. 3.5). В 3-м режиме загрузки материал может подаваться питателями П1–П3 на промежуточный конвейер Ml или питателями П4–П6 на конвейер М2. Далее материал транспортируется промежуточными конвейерами М3, М5 и выходным М6; сбрасывающая тележка обеспечивает равномерное распределение поступающего материала вдоль заданного отсека. При подаче пускового сигнала G исполнительные механизмы Н2, М6 и М5 включаются так же, как во 2-м режиме загрузки. Затем включаются последовательно исполнительные механизмы М3, M1 и один из входных исполнительных механизмов П1, П2 или П3. Совместно с М3 могут включаться последовательно М2 и один из входных исполнительных механизмов П4, П5 и П6. В этом режиме исполнительные механизмы П1– П6 блокируются с пусковым элементом, переключателем выбора питателей и датчиками скорости ДС1 (сигнал с1,) или ДС2 (сигнал с2); M1 и М2 блокируются с пусковым элементом, переключателем выбора питателей, датчиками скорости ДС3 (сигнал с3) и наличия материала ДМ1 (сигнал m1) или ДМ2 (сигнал m2); М3 блокируется с пусковым элементом, переключателем выбора питателей, датчиками скорости ДС5 и наличия материала ДМ3 (сигнал m3) (см. табл.3.5). В 4-м режиме загрузки в отличие от предыдущего режима, исполнительные механизмы тележки Н2 и выходного конвейера М6 не включаются, а включается исполнительный механизм H1, и шибер двухрукавной течки направляет поступающий материал в отсек 1 (см. табл. 3.6). При выдаче материалов со склада одновременно работают три питателя выбранного отсека. Выбор отсека определяется селектирующими сигналами q1–q5 от переключателя выбора отсеков ВО, выбор питателей –

выходными сигналами х1–х5 кольцевого коммутатора, выполненного на триггерах Т1–Т5 по схеме сдвигового регистра (рис. 3.19, б). Таблица 3.7 Алгоритмы формирования команд сигналов Наименование механизмов

Питатели Промежуточные конвейры Двухрукавная течка Выходной конвейр

Обозначение исполнительных механизмов (рис 3.18) 1П1 – 1П5 2П1 – 2П5 3П1 – 3П5 4П1 – 4П5 5П1 – 5П5 M7 M8

Алгоритм формирования КС выдача в выдача в БСО автотранспорт q1Qc7(xi-1 \/ xi \/ xi+1) q2Qc7(xi-1 \/ xi \/ xi+1) q3Qc7(xi-1 \/ xi \/ xi+1) q4Qc7(xi-1 \/ xi \/ xi+1) q5Qc7(xi-1 \/ xi \/ xi+1) c8 (Q \/ m7) (c9 \/ p2) (Q \/ m8)

H3

–

p2c8

M9

p1Q \/ m9

–

Примечание. Общий алгоритм формирования КС управления исполнительным механизмом М8 получен в результате объединения частных алгоритмов с9 (Q V m8) и р2 (Q V m8).

После каждого цикла выдачи материалов при снятии сигнала датчика скорости ДС7 происходит последовательное переключение на единицу триггеров коммутатора, поэтому в новом цикле включается следующая тройка питателей. Пункт выдачи материалов со склада – бетоносмесительное отделение или автомобильный транспорт – определяется селектирующими сигналами р1 и р2 от переключателя выбора пунктов выдачи. При выдаче материалов в бетоносмесительное отделение тройка питателей выбранного отсека подает материал на промежуточный конвейер М7. Далее материал транспортируется промежуточным конвейером М8 и направляется шибером Н3 двухрукавной течки на выходной конвейер М9. Исполнительные механизмы тракта включаются при подаче пускового сигнала Q в такой последовательности: выходной М9, промежуточные М8 и М7 и входные – тройка питателей. После снятия сигнала Q первыми отключаются исполнительные механизмы питателей, затем, по мере доработки материала, отключаются исполнительные механизмы М7, М8 и М9. В этом режиме исполнительные механизмы питателей блокируются с пусковым элементом, переключателем выбора отсеков, датчиком скорости ДС7 (сигнал с7) и кольцевым коммутатором;

М7 блокируется с пусковым элементом, датчиками скорости ДС8 (сигнал с8) и наличия материала ДМ7 (сигнал m7); М8 блокируется с пусковым элементом, датчиками скорости ДС9 (сигнал с9) и наличия материала ДМ8 (сигнал m8); М9 блокируется с пусковым элементом, переключателем выбора пунктов выдачи и датчиком наличия материала ДМ9 (сигнал m9) (табл. 3.7). При выдаче материалов на автомобильный транспорт выходной конвейер М9 не включается, а включается исполнительный механизм Н3, и шибер двухрукавной течки направляет поступающий материал в расходный бункер БР. Исполнительные механизмы тракта включаются при подаче пускового сигнала Q в такой последовательности: промежуточный М8, направляющий Н3 и промежуточный М7, затем входные – тройка питателей. После снятия сигнала Q отключаются исполнительные механизмы питателей, затем, по мере доработки материала, отключаются исполнительные механизмы М7, М8 и Н3. В этом режиме исполнительный механизм М8 блокируется с пусковым элементом, переключателем выбора пунктов выдачи и датчиком наличия материала ДМ8; Н3 блокируется с переключателем выбора пунктов выдачи и датчиком скорости ДС8 (табл. 3.6). 3.2.4. Автоматический контроль и учет материалов на складе заполнителей На складе заполнителей, оборудованном конвейерным транспортом, контроль принимаемых материалов – целесообразно осуществлять конвейерными весами дискретного действия, встроенными в общий тракт загрузки, а контроль отпускаемых материалов – аналогичными весами, встроенными в тракт выдачи. При этом помарочный учет материалов наиболее просто производится с помощью дифференциальных электромагнитных счетчиков импульсов (рис. 3.20, а). В процессе загрузки емкостей склада входные конвейерные весы 1KB выдают импульсы, соответствующие определенному дискретному значению массы принятого материала. Эти импульсы поступают через селектор марки 1СМ1, управляемый переключателем марок ВМ, на вход промежуточного накопителя 1ПН1 данной марки. Когда в промежуточный накопитель будет введено число импульсов, соответствующее дискретной единице учета материала, накопитель сбрасывается на нуль. При этом на выходе накопителя формируется

импульс, поступающий через схему разделения каналов РК1 на суммирующий вход дифференциального счетчика импульсов ДС1.

Рис. 3.20. Автоматический учет материалов на складе: а– структурная схема устройства; б– временные диаграммы формирования

При выдаче материала со склада (например, марки Ml) выходные конвейерные весы 2KB выдают импульсы, которые поступают через селектор марки 2СМ1 на вход промежуточного накопителя 2ПН1. Выходной импульс накопителя поступает через схему разделения каналов РК1 на вычитающий вход дифференциального счетчика импульсов ДС1. Схема разделения каналов исключает возможность одновременного воздействия импульсов на суммирующий и вычитающий входы счетчика. Выдача материалов со склада производится автоматически по сигналам запроса р1 –p3, которые всегда разделены во времени (рис.3.20,б). Поскольку каждый сигнал запроса снимается раньше, чем заканчивается транспортирование выдаваемого материала, для управления селекторами марки 2СМ1–2СМ3 используются триггеры Т1–Т3, выделяющие интервалы времени между моментами начала сигналов запроса и окончания сигнала т датчика наличия материала ДМ на выходе тракта выдачи.

Промежуточные накопители позволяют уменьшить общую погрешность учета материалов, обусловленную тем, что принимаемые и отпускаемые порции материалов не всегда кратны единицам учета. 3.2.5. Автоматизация процессов сушки и нагрева материалов на складах Основная задача автоматического управления тепловыми процессами подогрева заполнителей – проведение этих процессов в оптимальном по технологическим показателям режиме. При подогреве заполнителей необходимо автоматически регулировать их температуру в соответствии с заданным значением или в зависимости от температуры готовой бетонной смеси. Наибольшее распространение получил двухступенчатый подогрев заполнителей, при котором устройства для подогрева вынесены за пределы бетоносмесительного отделения, в расходных бункерах которого производится только дополнительный подогрев с целью сохранения температуры заполнителей. Подогрев заполнителей в открытых плоских, конических и трапециевидных штабелях может производиться при помощи паровых регистров и горячими газами, вдуваемыми в толщу заполнителей. В промежуточные бункера подогрева пар впускается из перфорированных или глухих регистров. В последнее время для нагрева заполнителей в зимнее время получили применение установки с цилиндрическими вращающимися сушильными барабанами. Автоматическое регулирование процессов подогрева и сушки заполнителей в штабелях, бункерах и сушильных барабанах может осуществляться: 1)по сигналам датчиков, контролирующих параметры теплоносителя, применяемого при нагреве; 2)по сигналам датчиков, контролирующих состояние нагреваемых заполнителей; 3)по заранее заданной программе изменения во времени режима подачи теплоносителя; 4)по комбинированному способу, сочетающему пункты 2 и 3. К достоинствам методов, приведенных в пунктах 1 и 3, следует отнести их относительную простоту; недостатком этих методов является отсутствие информации о состоянии и параметрах нагреваемого материала. Рассмотрим функциональную схему автоматического регулирования температуры в штабелях (рис. 3.21). Эта система регулирования

обеспечивает поддержание заданной температуры заполнителей за счет изменения количества пара, подаваемого в регистры, заложенные в штабеля. Во избежание непроизводительного расхода пара при оголенных регистрах предусмотрено устройство их отключения от паровой магистрали при снижении уровня заполнителей.

Рис. 3.21. Функциональная схема автоматического регулирования температуры заполнителей

Точность поддержания заданной температуры в штабелях невысокая, поэтому в системе осуществляется двухпозиционное регулирование температуры. Регулирующими органами служат электромагнитные клапаны ЭМ, установленные на вводе пара в регистры. Визуальный контроль температуры заполнителей в отсеках производится измерительным прибором П с переключателем В.

3.3. Автоматизация процессов дробления и сортировки 3.3.1. Основные сведения о предприятиях по переработке нерудных строительных материалов Предприятия по переработке нерудных строительных материалов обеспечивают потребности строительства в щебне, гравии и песке. Для этой цели существуют дробильно-сортировочные базы и заводы, гравийно-сортировочные заводы, заводы по обогащению песка.

Добыча и обогащение нерудных строительных материалов осуществляется с помощью комплекса перерабатывающих и транспортирующих машин, связанных единым технологическим процессом, представляющим собой поточно–транспортную систему (ПТС). Основными технологическими процессами дробильно– сортировочных предприятий являются дробление, сортировка и транспортировка. Для дробления применяют щековые, конусные, валковые и молотковые дробилки, дезинтеграторы; для сортировки – грохоты, центрифуги; для транспортировки – тарельчатые, вибрационные и пластинчатые питатели, конвейерные линии, желоба, трубы. В комплекс этих машин входят приемные, промежуточные и складские бункера и штабели. Автоматизация технологических процессов дробильно-сортировочных предприятий должна решать следующие задачи: · автоматический контроль состояния оборудования, направления грузопотоков, загрузки емкостей и наличия материалов в транспортных средствах, учет работы машин, исходного материала и готовой продукции по фракциям, а также контроль запыленности помещений и работы вентиляционных установок; · автоматическое управление пуском и остановкой в заданной последовательности технологического и транспортного оборудования, автоматическое регулирование загрузки дробильно-сортировочных агрегатов и технологических поточных линий, обеспечение оптимального режима работы технологического оборудования, автоматическое управление процессом отгрузки готовой продукции и системой обеспыливания и аспирации; · автоматическую защиту и блокировку от перегрева подшипников, перегрузки первичной дробилки, последствий поломок дробящих плит, прорыва сит на грохотах, попадания металлических предметов в дробилку, а также сигнализацию о состоянии оборудования. В поточно-транспортных системах должны осуществляться блокировка и защита при повреждении одного из механизмов, предпусковая сигнализация, защита и блокировка от переполнения течек и желобов складских бункеров. Чтобы показать методику разработки и исследования автоматических систем, более подробно рассмотрены автоматизация щековой дробилки и грохота. Остальные объекты управления рассмотрены менее подробно.

3.3.2. Автоматическое регулирование производительности дробилок Задача автоматического регулирования процесса дробления заключается в обеспечении оптимальной производительности дробилки за счет максимальной ее загрузки и в поддержании заданной фракционности конечного продукта. Для обеспечения оптимальной производительности дробилок их оснащают автоматическими системами регулирования, которые по степени загрузки дробилки изменяют количество материала, подаваемого питателем. Регулировать процесс дробления наиболее целесообразно на первой стадии дробления, т. е. на крупных щековых, конусных и ударных дробилках. Параметрами, характеризующими процесс дробления, являются расход и размеры материала, подаваемого в дробилку, а также фракционный состав продукции. Однако использовать эти параметры очень трудно, так как методы автоматического контроля фракционного состава материала не разработаны. При изменении гранулометрических характеристик и твердости материала обеспечить максимальную производительность дробилки невозможно, поэтому в системах автоматического регулирования используются косвенные параметры, характеризующие процесс дробления. Такими параметрами являются: весовая загрузка питателей, сила тока электродвигателя дробилки или потребляемая им мощность, уровень материала в дробилке. Рассмотрим методы регулирования производительности дробилки с использованием этих параметров. Регулирование по весовой загрузке питателя заключается в поддержании заданной весовой производительности конвейера, подающего материал в дробилку. Производительность контролируется конвейерными тензометрическими или радиоизотопными весами. При изменении нагрузки датчиком подается сигнал на автоматический регулятор, исполнительный механизм которого изменяет скорость вращения питателя. Метод регулирования с контролем по весовой загрузке питателя дает хорошие результаты только в случае постоянства гранулометрической характеристики материала. При изменении кусковатости или твердости материала обеспечить максимальную производительность дробилки невозможно. В этом случае о степени загрузки дробилки судят по силе тока двигателя. При увеличении кусковатости и твердости материала нагрузка на двигатель возрастает, в результате чего вырабатывается воздействие для уменьшения скорости ленточного питателя и подачи материала в дробилку. При автоматическом регулировании загрузки дробилки с контролем по току двигателя на работе дробилки сказывается колебание напряжения в сети, что ограничивает применение данного метода.

Регулирование загрузки с контролем по мощности двигателя обеспечивает наибольшую производительность дробилки. Если загружаемый материал легко измельчается, то мощность, расходуемая на дробление, невысока и система регулирования увеличивает скорость ленты питателя до тех пор, пока мощность не достигнет заданного значения. При увеличении крупности и твердости материала мощность, затрачиваемая на дробление, возрастает и система регулирования уменьшает скорость ленты питателя. В крупных щековых дробилках благодаря наличию маховика наблюдается значительное увеличение динамических погрешностей. В этом случае метод регулирования загрузки дробилки по мощности приводит к резким колебаниям потребляемой энергии. Кроме того, возможно зависание крупных кусков дробимого материала в верхней части пасти дробилки, что не обнаруживается потребляемой мощностью и не вызывает срабатывания системы автоматического регулирования. Поэтому материал по-прежнему будет поступать в дробилку, вызывая ее завал. В этих случаях целесообразно регулировать производительность с контролем по уровню загрузки дробилки. Контроль уровня материала в дробилке может выполняться электроконтактным сигнализатором, фотореле и радиоизотопным реле (гамма-реле), которое следует считать более надежным. Источник и приемник гамма-излучения устанавливаются на противоположных наружных стенках дробилки на уровне 2/3 высоты приемной пасти. Контакты гамма-реле включены в схему автоматического управления двигателя питателя. В зависимости от количества уровней, контролируемых реле, может выполняться двух- и трехпозиционное регулирование подачи материалов. При отсутствии материала в дробилке на контролируемом уровне контакты реле замыкаются и пускатель включает двигатель питателя. При перекрытии материалом потока

g -частиц

контакты реле размыкаются и

пускатель отключает питатель. Таким образом поддерживается заданный уровень загрузки дробилки. Для уменьшения частоты включения двигателя питателя устанавливаются два гамма-реле на двух уровнях – верхнем и нижнем. Схема осуществляет двухпозиционное регулирование с зоной возврата. При использовании двух реле можно также обеспечить трехпозиционное управление двигателем питателя, повысив тем самым качество регулирования. Для осуществления этой схемы должен применяться двухскоростной асинхронный двигатель. Превышение нормального

уровня загрузки уменьшает скорость питателя, а верхнего – отключает двигатель.

Рис. 3.22. Схема регулирования производительности дробилки с контролем по мощности дробилки, уровню материала и загрузки отводящего конвейера

Применение фотореле для контроля уровня материала в дробилке нецелесообразно вследствие большой запыленности. Необходимо отметить, что регулирование только по уровню не обеспечивает работу дробилки в режиме оптимальной производительности, так как свойства материалов различны. Таким образом, наиболее целесообразным следует признать применение методов комбинированного регулирования загрузки дробилки. Регулирование по мощности двигателя дробилки и уровню материала в пасти дробилки обеспечивает увеличение производительности дробильного агрегата и исключает возможности завала. Однако при подаче в дробилку материала с пониженной твердостью и мелких фракций двигатель дробилки будет работать в незагруженном режиме, что вызывает значительное увеличение количества продукции на выходе дробилки, а следовательно, перегрузку и завал отводящего конвейера. Для предотвращения завала отводящего конвейера необходим корректирующий сигнал по его загрузке (рис.3.22).

Для этого может быть применен датчик взвешивающего устройства G или датчик нагрузки двигателя W2 отводящего конвейера. Таким образом, появляется универсальная комбинированная система автоматического регулирования по трем параметрам: по мощности привода дробилки W1, по уровню материала в дробилке ДУ и по мощности привода отводящего конвейера или по массе материала на нем. Автоматическое регулирование этих параметров осуществляется изодромными автоматическими регуляторами. На рис.3.23 приведена электрическая схема панели автоматического управления процессом загрузки щековой дробилки. Датчики нагрузки ДН1 и ДН2 предназначены для ввода в систему регулирования сигналов, пропорциональных нагрузкам приводных электродвигателей дробилки и расположенного под ней конвейера. Для поддержания определенной производительности дробилки датчики настраиваются на заданные значения нагрузок двигателей. Если нагрузка приводов меньше заданной, то с помощью исполнительных реле РП38 и РП39 подается команда на включение пластинчатого питателя. Если нагрузка двигателей превышает установленную, питатель отключается. Привод пластинчатого питателя имеет два режима управления – местный и автоматический. Автоматическое включение питателя разрешается, когда нагрузки приводных двигателей и конвейера не превышают заданных. Отключение питателя происходит при перегрузке двигателей дробилки конвейера, при исчезновении материала на питателе, а также при переполнении зева дробилки. В результате автоматизации дробильных агрегатов их производительность повышается в среднем на 12–14%, а расход электроэнергии снижается на 16–17%. Для управления щековыми дробилками всех типоразмеров разработано комплексное устройство автоматического управления, которое позволяет осуществить: автоматическое управление пуском и остановкой щековой дробилки и ее вспомогательных механизмов с соблюдением определенной технологической последовательности; автоматическое регулирование производительности; контроль наличия «защитной подушки» на пластинчатом питателе, аварийного переполнения зева дробилки в случае попадания негабаритных размеров материала,

загрузки последующих механизмов; автоматический ввод резервного маслонасоса системы жидкой смазки; сигнализацию о работе дробилки и вспомогательных механизмов, а также об аварийном состоянии технологического оборудования. В зависимости от типоразмеров дробилки выбирается комплект электрооборудования, состоящий из станций и пультов управления. Эти станции управления могут быть скомпонованы на общем щите.

Автомат питания Датчик нагрузки двигателя щековой дробилки Реле контроля перегрузки двигателя дробилки Стабилизатор напряжения Трансформатор пониж а ю щ и й Датчик нагрузки двигателя конвейера Реле контроля перегрузки двигателя конвейера Реле включения питания Реле включения переполнения дробилки Реле контроля низкой подушки на питателе Датчик контроля переполнения щековой дробилки Датчик контроля низкой подушки питателя Реле аварии Реле отключения питателя

Рис. 3.23. Электрическая схема автоматического управления процессом загрузки дробилки

3.3.3. Статические и динамические характеристики щековой дробилки Сложность протекающих процессов в дробильно-сортировочных установках создает при их изучении значительные трудности. Переход от изучения микропроцессов (движения отдельных частиц) к макропроцессам (движение массы частиц), реально протекающим в машинах, позволил принять ряд допущений и упростить их математическое описание. Оборудование дробильно-сортировочных предприятий имеет различное конструктивное исполнение и работает на совершенно различных принципах. Однако их объединяет общий принцип материального и энергетического баланса. Принцип материального баланса может быть выражен общим дифференциальным уравнением dM = Q1 - Q2 , (3.7) dt где M – запас материала в агрегате, т; Q1 – подводимый к агрегату поток материала, т/ч; Q2– отводимый от агрегата поток материала, т/ч.

h

Уравнение (3.5) показывает, что в неустановившемся режиме подача материала уравновешивается отводом, изменением его запаса в агрегате. Запас материала обусловливает инерционность агрегата. В установившемся режиме подача материала равна его отводу, и изменения запаса материала в агрегате не наблюдается.

Рис. 3.24. Устройство пасти щековой дробилки

Рис. 3.25. Статическая характеристика щековой дробилки

Рассмотрим уравнение материального баланса для щековой дробилки, схема пасти которой приведена на рис. 3.24.

Дробилка имеет следующие параметры, характеризующие ее состояние: Q1 – расход исходного материала, т/ч; Q2 – расход измельченного материала, т/ч; h – уровень материала в дробилке, м; M – запас материала в дробилке, т; ω – частота качания щеки дробилки, 1/с, обусловливающая производительность дробилки; А – амплитуда качания, мм, обусловливающая крупность готового продукта. В процессе работы дробилки параметры Q1, Q2, h и М могут изменяться в зависимости от изменения крупности и твердости материалов. Для упрощения расчетов параметры ω и А в дальнейшем будем считать неизменными. Уравнение, описывающее процесс в щековой дробилке, находим из условия материального баланса Q1dt = Q2dt + dM.

(3.8)

Разделив все члены на dt, получим

dM + Q2 = Q1 . dt

(3.9)

Выражаем параметры М и Q2 через уровень h и находим объем материала V в дробилке, считая, что приемная часть имеет форму усеченной пирамиды: 1 (3.10) V = Sh + abh , 2 где S – площадь верхнего сечения пасти, м2; h – уровень материала в дробилке, м; а –ширина пасти дробилки, м; b – размер выпускной щели, м. Масса материала М в дробилке М = Vg ,

(3.11)

где g – плотность материала, т/м3. Площадь верхнего сечения пасти дробилки S=a(b+ h tg a ), где a – угол наклона подвижной щеки к вертикали, град.

(3.12)

Подставив выражение (3.10) в (3.12), получим

1 (2abh + ah 2 tgб ). 2 На основании (3.11) и (3.13) находим V=

(3.13)

dM dV dh =г = г(ab + ahtga) . dt dt dt

(3.14)

Расход Q2 = f(h) является функцией h, но аналитическую зависимость ее получить не удается. Вид ее статической характеристики, снятой экспериментально, показан на рис. 3.25. Зависимость Q2 = f(h) нелинейна и имеет ограничения по уровню hmax и производительности Q2max при данных ω и А. Подставив выражения (3.14) и Q2(h) в выражение (3.9), получим

гa (b + htgб )

dh + Q2 (h) = Q1 . dt

(3.15)

Из этого выражения видно, что щековая дробилка описывается нелинейным дифференциальным уравнением, аналитическое решение которого затруднено. Для нахождения переходных процессов h = f (t ) и Q2 = f (t ) можно использовать графоаналитический метод Эйлера. Таким образом, щековая дробилка ведет себя как устойчивое звено с переменным самовыравниванием, переходный процесс ее не является экспоненциальным. Из приведенного анализа видна необходимость стабилизации уровня материала в щековой дробилке. При изменении твердости материала целесообразно стабилизировать его уровень в щековой дробилке. Так, например, при понижении твердости материала следует увеличить подачу материала в дробилку. График функции Q1 = f (о) при h = const, приведенный на рис.3.26, называется регулировочной характеристикой. Здесь x –твердость материала. Так как стабилизация уровня предусматривает малые отклонения от hном, то нелинейные дифференциальные уравнения дробилки можно линеаризировать. Для этого выделяем в дробилке некоторый объем ∆V в окрестности номинального уровня при постоянной площади Sном ,т. е.

DV =

1 S ном Dh + abDh . 2

(3.16)

На статической характеристике приращению Dh/1 соответствует приращение ∆Q2. Так как эти приращения малы, то зависимости величин в окрестности данной точки будут линейными, т.е. DQ2 = mDh , где m – коэффициент пропорциональности. Подставляя полученные выражения формулу (3.15), получим

гS

ном

q1

x

в

Рис.3.26. Характеристика зависимости загрузки дробилки от твердости материала

dDh + m D h = D Q1 . dt

(3.17)

Разделив все члены уравнения на m, находим

гS ном dDh 1 + Dh = DQ1 . m dt m

(3.18)

Коэффициент при производной обозначим Т и назовем его постоянной времени дробилки. Коэффициент при DQ1 обозначим K и назовем его коэффициентом усиления щековой дробилки. Введя новые обозначения в выражение (3.18), получим

T

dDh + Dh = KDQ1 . dt

(3.19)

Уравнение (3.19) является линеаризированным уравнением щековой дробилки. Выясним физический смысл постоянной времени, для чего числитель и знаменатель выражения (3.18) умножим на h:

T =

g S ном h M = . mh Q 2 ном

(3.20)

Таким образом, постоянная времени является отношением запаса материала в дробилке к его расходу, т. е. показывает способность накапливать и расходовать материал. Произведя в выражении (3.19) преобразование Лапласа при нулевых начальных условиях, получим передаточную функцию щековой дробилки

W( p ) =

Dh( p ) K = . DQ1( p ) Tp + 1

(3.21)

Учтя запаздывание, обусловленное пластинчатым питателем перед дробилкой, получим

Ke - p t W ( p) = . Tp + 1

(3.22)

Всякое запаздывание в объекте управления ухудшает устойчивость системы автоматического регулирования. Для исследования системы автоматического регулирования помимо вида дифференциального уравнения следует знать численные значения его параметров. В системах стабилизации при малых отклонениях регулируемых параметров коэффициенты дифференциальных уравнений могут быть определены аналитически. 3.3.4. Автоматическая оптимизация дробильно-сортировочных процессов Машины, входящие в состав дробильно-сортировочных установок, имеют экстремальные статические характеристики, что позволяет оптимизировать технологические процессы. Благодаря большой производительности машин экономический эффект от оптимизации может быть значительным. Рассмотрим оптимизацию дробильно-сортировочного процесса, технологическая схема которого приведена на рис. 3.27. Исходный кусковой материал крупностью 200 мм из бункера 1 питателем 2 подается в щековую дробилку 3, а из нее конвейером 5 на грохот 6. Мелкий материал из грохота через конвейер 7 поступает в вагонетку готовой продукции 8. Крупный материал фракцией 40 мм, не прошедший через грохот, конвейером 4 подается на повторное дробление в щековую дробилку 3. Функциональная схема системы экстремального регулирования процесса дробления показана на рис. 3.28. Показателем экстремума является отношение потока материала крупностью 40 мм Q40 к потоку исходного материала Q200: E=Q40/Q200.

Рис. 3.27. Технологическая схема дробильно-сортировочного процесса

Значения потоков Q 200 и Q 40 можно косвенно измерять датчиками ДТ1 и ДТ2 по значениям токов статоров электродвигателей конвейеров М4 и А15. Тогда величина Е получается в делителе Д. Экстремальный регулятор ЭР при изменяющихся условиях работы и состояниях оборудования подбирает частоту вращения вала со щековой дробилки ЩД и скорость V движения грохота ВГ такими, чтобы значение показателя экстремума Е было минимальным.

Рис. 3.28. Функциональная схема системы экстремального регулирования дробильно-сортировочного процесса

Для поиска и поддержания Е на минимуме используется шаговый экстремальный регулятор ЭР. Первым шагом измеряется ток, пропорциональный Q40, вторым шагом замеряется нагрузка Q200, третьим определяется значение Е. Затем это значение подается в запоминающее

устройство. На следующем шаге осуществляется изменение частоты вращения щековой дробилки ω. После этого снова повторяются первые три шага, снова изменяется показатель экстремума Еi, но уже при новом режиме работы щековой дробилки. Это новое значение Еi+1 на девятом шаге подается в другую ячейку запоминающего устройства. На десятом шаге происходит сравнение двух значений показателей экстремума. Если командное воздействие на изменение было сделано правильно и Е уменьшилось, то и следующий шаг будет сделан в том же направлении. Если показатель экстремума Е увеличился, значит, направление командного воздействия произведено неправильно. В этом случае воздействие автоматически реверсируется, что приводит к изменению направления вращения дробилки в другую сторону. В дальнейшем система совершает колебания около точки экстремума, поддерживая показатель экстремума минимальным. При изменении условии дробления регулятор находит другой показатель экстремума. После нахождения экстремума по параметру ω таким же образом ищут экстремум по параметру u . 3.3.5. Автоматическое управление щековой дробилкой В автоматизированных поточно-транспортных системах все пускоостановочные операции производятся автоматически. Исключение длительное время составляли щековые ВК2 ВК1 5 6 4 3 дробилки, не приспособленные для работы в автоматизированном режиме. 1 2 Дело в том, что приводной двигатель ЭМ3 ЭМ4 ЭМ1 ЭМ2 дробилки с учетом перегрузочной способности может развить максимальный момент, значительно меньший, чем начальный момент 7 трогания дробилки. Обычно запуск дробилок осуществляется при холостом ходе и наибольшем H M Б сближении щек дробилки. Казалось бы, что для обеспечения Рис. 3.29. Установка гидравличесдистанционного пуска необходимо кого управления фрикционными увеличить установленную мощность муфтами приводного двигателя дробилки. Однако такое решение нерационально в связи с тем, что приводные двигатели щековых дробилок используются в процессе дробления не более чем на 50–60% их номинальной мощности.

Автоматизация щековых дробилок и включение их в автоматические линии стали возможными после выпуска модернизированного дробильного комплекса, состоящего из щековой дробилки, приводного электродвигателя, гидросистемы, установок жидкой и густой смазок. Автоматизированная система управления щековой дробилкой должна осуществлять пуск, нормальную и аварийную остановку. Управление дробилкой может осуществляться двумя способами: ручным и автоматическим. При автоматическом управлении все операции в заданной последовательности выполняются с помощью автоматических систем управления. Пуск модернизированной дробилки производится при помощи фрикционных муфт сцепления с гидравлическим управлением (рис. 3.29). Порядок операций при пуске следующий. Вначале включается электродвигатель М масляного насоса гидросистемы Н и электромагниты ЭМ1 и ЭМ2, которые перемещают золотники 1 и 2. Благодаря этому масло из бака Б под давлением поступает к гидроприводам фрикционных муфт сцепления 3 и 4 и главный вал дробилки расцепляется со шкивом 5, а позже и с маховиком 6. Предохранительный клапан 7 исключает возможность повышения давления в маслопроводе сверх нормы. Конечные выключатели ВК1 и ВК2, связанные с цепями электромагнитов ЭМ1 и ЭМ2, ограничивают ход гидроприводов фрикционных муфт. При крайнем положении муфт сцепления отключается насос Н. Затем электромагнитами ЭМ1 и ЭМ2 вхолостую пускается электродвигатель главного привода дробилки. После разгона электропривода дробилки электромагниты ЭМ3 и ЭМ4, перемещая золотники 1 и 2 в обратном направлении, плавно сочленяют с главным валом дробилки сначала шкив 5, а затем маховик 6. Рассмотрим порядок пуска щековой дробилки (рис. 3.30). Пуск дробилки осуществляется подачей пускового импульса контактом дистанционного управления ДУ или нажатием кнопки Кн1. При этом включается реле пуска РП6, которое подготавливает к включению сирену предпусковой сигнализации СС и цепи управления ротором приводного двигателя (рис. 3.31). Когда температура масла в маслоотстойнике достигнет 30–40 °С, электроконтактный термометр через реле РП18 включит сирену СС и реле предпусковой сигнализации РВ7 (см. рис. 3.30). Цепи управления ротором электродвигателя (см. рис. 3.31) дробилки подготавливаются следующим образом: от реле РП6 включаются по следовательно реле времени РВ1– РВ5, затем реле РВ7 с выдержкой времени 15с включает реле-повторитель пуска дробильного комплекса РП10. Реле РП10 включает маслонасос системы жидкой смазки дробилки, насос гидравлического управления фрикционными муфтами и электромагниты ЭМ1 и ЭМ2 (рис. 3.29).

Рис. 3.30. Электрическая схема дистанционного управления щековой дробилкой

Рис. 3.31. Электрическая схема автоматического управления двигателем щековой дробилки

Когда давление в нагнетательном маслопроводе системы жидкой смазки достигнет заданного значения, замкнется контакт датчика нормального давления масла, сработает реле управления дробилкой РП14 и подготовит к включению линейный контактор ВЛ электропривода дробилки. Нагнетаемое насосом гидросистемы масло отжимает фрикционные диски муфт шкива и маховика. Отключение муфт фиксируется замыканием конечных выключателей ВК1 и ВК2 в цепи реле РП13. Реле РП13 отключает электромагниты ЭМ1 и ЭМ2 и насос гидросистемы, подключает к сети статор двигателя и своим блокконтактом подает командный импульс на автоматический вывод пусковых резисторов в цепи ротора главного электродвигателя. Размыкающим блокконтактом ВЛ отключается реле РВ1 и с выдержкой времени подается питание на контактор ускорения У1, шунтирующий первую пусковую ступень в роторной цепи фазного двигателя. С соответствующими выдержками времени, задаваемыми реле РВ2– РВ4, происходит последовательное включение контакторов ускорения У2– У4, шунтирующих пусковые сопротивления. Контактор У4 полностью шунтирует пусковые сопротивления, самоблокируется и отключает контакторы У1–У3. Одновременно контакты У4 замыкаются в цепи самоблокировки линейного контактора ВЛ и реле-повторителя РП16. Реле

РП16 отключает реле РП10 и подает питание на реле времени РВ3 и РВ9 управления электромагнитами золотников гидросистемы. Реле РВ9 с выдержкой времени 10–20 с через РВ10 и РВ11 подает команду на включение электромагнита ЭМ1 для сочленения шкива 5 с главным валом дробилки (рис. 3.29). С выдержкой времени 20–30 с реле РВ10 через РП12 включает электромагнит ЭМ4, и маховик 6 сочленяется с главным валом дробилки. Конечный выключатель ВК2, отжатый диском маховика, своим контактом отключает реле РП13 контроля работы гидросистемы, что свидетельствует об окончании пусковых операций. Реле РП13 своим контактом подает питание на реле контроля работы дробилки РП8 и РП9. Реле РП8 отключает реле пуска РП6, которое приводит схему в исходное состояние и отключает сирену предпусковой сигнализации СС. Команда на остановку дробилки подается поворотным ключом оператора. При этом реле РП7 отключает цепь управления электродвигателем пластинчатого питателя и через РВ6 с выдержкой времени 2–3 мин подает командный импульс через реле РП14 на отключение главного электродвигателя дробилки. Такая последовательность операции исключает остановку агрегата под нагрузкой. Аварийное отключение дробилки происходит при исчезновении давления масла в маслопроводе и при повышении температуры подшипников дробилки. В первом случае включается реле контроля времени РВ11. Если за 30–60 с давление масла не восстановится, то срабатывает реле РП15 аварийного отключения дробилки. Во втором случае срабатывает аппаратура температурной защиты АТВ и аварийно отключает привод дробилки. Крупные щековые дробилки снабжаются системами жидкой и густой смазки. Жидкая смазка предназначена для подшипников главного вала и головки шатуна, густая – для подвижной щеки, сухарей и распорных плит дробилки. Установка жидкой циркуляционной смазки щековой дробилки состоит из рабочего и резервного насосов, бака-отстойника с автоматическим электроподогревом масла и фильтра-холодильника. Масло из бака насосом прогоняется через фильтр-холодильник, а затем подается к подшипникам коленчатого вала и шатуну. Из подшипников масло поступает обратно в бак-отстойник. Густая смазка щековых дробилок производится с помощью автоматической станции типа САГ. Дозировка подачи масла к отдельным точкам осуществляется питателями густой смазки. Станция состоит из

резервуара, распределительной установки, насоса, электродвигателя и заправочного фильтра. На реверсивном клапане установлены три регулятора давления. Два из них регулируют давление в магистралях, а третий выполняет роль предохранительного клапана и контролирует наибольшее давление, при повышении которого смазка поступает обратно в резервуар. При пуске дробильного комплекса включается питание системы управления маслонасосами. В зависимости от положения ключа выбора рабочего маслонасоса автоматически включаются один или другой маслонасос. Пуск маслонасосов не произойдет, если в маслоотстойнике не будет необходимого количества масла, подогретого до температуры 40 ° С. Количество масла контролируется поплавковым реле, а температура масла – электроконтактным термометром. Масло подогревается электрогрелками. При нормальном режиме эксплуатации рабочий маслонасос отключается через 2–3 мин после отключения дробилки. Импульс на отключение подается от реле отключения или реле контроля работы дробилки. Предусмотрено резервирование рабочего маслонасоса. Если при включении рабочего насоса в системе не установится нормальное давление масла, то реле контроля давления отключает аварийный насос и включает резервный. Если резервный маслонасос не включился в течение 30–60 с, пуска дробилки не произойдет, а при работающей дробилке она отключится. Управление электрогрелками производится автоматически от температурных реле. При понижении температуры масла до 30 ° С включаются грелки, которые отключаются при достижении температуры 40 ° С. При перегреве масла автоматически включается циркуляционный насос, охлаждающий масло проточной водой. Обычно применяется замкнутая система с охлаждением воды в бассейне. После охлаждения масла до допустимой температуры циркуляционный насос автоматически отключается. Фильтр системы жидкой смазки включается командным аппаратом периодически на 5 мин через каждые 4 ч. При невключении фильтра срабатывает система аварийной сигнализации. Станция густой смазки включается автоматически через каждые 4 ч работы дробилки и отключается при заполнении смазкой всех питателей. Если в течение минуты насос густой смазки не включится, срабатывает аварийная сигнализация.

3.3.6. Автоматическая защита, сигнализация и учет работы щековых дробилок Подача материала в дробилку осуществляется питателем, приводимым в движение асинхронным короткозамкнутым двигателем, в статорную цепь которого через трансформатор тока включено токовое реле, контролирующее перегрузку двигателя. При длительной перегрузке двигателя пускатель отключается от сети. Иногда в дробилках устанавливаются датчики целости распорных плит. При поломке и падении их датчики сигнализируют об аварии и отключают все предыдущие машины и механизмы. Для обеспечения надежной работы дробилок осуществляется автоматическая защита от повышения температуры подшипников привода, отработанного масла и эксцентриковых стаканов, от динамических воздействий падающих на питатели кусков материала и от попадания в дробилку вместе с дробильным материалом металлических включений.

Рис. 3.32. Схема защиты подшипников от перегрева

Контроль температуры выполняется устройством АТВ, которое состоит из трансформатора, реле, выпрямителя и термисторного датчика.

При нагреве подшипника дробилки до заданной температуры сопротивление термистора резко падает. Это вызывает срабатывание исполнительного реле. Размыкающийся контакт исполнительного реле отключает магнитный пускатель и останавливает двигатель дробилки. Реле может воздействовать и на цепь сигнализации. В устройстве предусмотрен переключатель для настройки системы на различную температуру срабатывания. Для исключения влияния изменения напряжения сети на работу системы предусмотрены компенсационная обмотка и конденсатор. В настоящее время применяется более совершенная система защиты подшипников от перегрева (рис. 3.32) с применением двух термисторов ДТ1 и ДТ2. Первый служит для подачи предупредительного сигнала при повышении температуры подшипников до 60 ° С, а второй – для остановки дробилки при повышении температуры до 80 ° С. Вторая защита, устанавливаемая на дробильных агрегатах, предотвращает механические повреждения пластинчатых питателей. При разгрузке автосамосвалов куски породы значительной массы падают в приемный бункер с открытым днищем, перекрытым пластинчатым питателем. При пустом бункере динамическое воздействие падающих кусков ускоряет износ питателя и часто выводит его из строя. Для повышения срока службы питателя рекомендуется режим работы с подстилающим слоем в нижней части приемного бункера. Для этого следует контролировать нижний уровень материала в приемном бункере. Такой контроль можно осуществить при помощи гамма-реле. При снижении уровня материала в бункере до установленного предела должен автоматически выключаться пластинчатый питатель и двигатели ПТС. Вместе с подаваемым материалом в дробилку могут попадать различные металлические включения и вызывать ее поломку. Для предотвращения этого на питателях, подающих материал в дробилку, устанавливаются металлоискатели и металлоизвлекатели. Металлоискатели обнаруживают металлические включения и подают звуковой и световой сигналы о наличии их в транспортируемом материале. В некоторых случаях предусматривается автоматическое отключение транспортирующих машин. Металлоизвлекатели предназначены для автоматического извлечения металлических включений с помощью электромагнитов. Наилучшим вариантом было бы удаление металла из породы при подаче ее в приемный бункер завода, однако применение железнодорожного и автомобильного транспорта на карьерах практически исключает эту возможность. Для щековых дробилок металлические включения обычно не представляют опасности, так как выпускная щель большая. Из строя выводятся в основном конусные и другие дробилки

второй и последующих стадий дробления. Поэтому удаление металла обычно производится на конвейере после первичного дробления. Система защиты дробилок от металлических включений должна реагировать не только на ферромагнитные, но и на немагнитные материалы. Для обнаружения опасных металлических предметов в слое транспортируемого материала под лентой конвейера, подающей материал в дробилку, устанавливается индуктивный датчик, подключенный к трансформатору по дифференциальной схеме. При прохождении над индуктивным датчиком металлических включений сопротивление датчика изменяется, что приводит к разбалансировке моста и подаче напряжения на вход электронного реле. Последнее срабатывает, отключает двигатель конвейера и включает звуковой сигнал. Чтобы повысить чувствительность, катушки индуктивности, включенные в схему моста, питаются переменным током частотой 1000–1500 Гц. При расстоянии между рамками до 400мм металлоискатель реагирует на ферромагнитные металлические включения массой около 0,5 кг, а на немагнитные металлические включения – массой свыше 1 кг.

Рис. 3.33. Схема металлоизвлекателя типа «скользящий шибер»

Рис. 3.34. Схема металлоизвлекателя с остановкой потока

На рис. 3.33 приведена схема установки металлоизвлекателя типа «скользящий шибер». При попадании металла на ленту конвейера 2 металлоискатель 3 включает электродвигатель 7 реверсивной лебедки, которая опускает шибер 8 и направляет материал по отводящей течке 1. После прохождения металла шибер поднимается и материал по рабочей течке 9 направляется в дробилку 10. В установке предусмотрены щит управления и сигнализации 4, шкаф режима работы 5 и шкаф автоматики 6. Недостатком схемы является то, что вместе с металлом удаляется часть транспортируемого материала. На рис. 3.34 изображена схема установки металлоизвлекателя с использованием электромагнитного сепаратора 9. Для экономии

электроэнергии сепаратор необходимо включать при обнаружении металла и отключать сразу же после его извлечения. Электромагнитный сепаратор подвешивается на тали между двумя металлоискателями 3. При появлении на конвейерной ленте металлического предмета первая рамка металлоискателя 3 через щит управления и сигнализации 4 и станцию управления 5 посылает командный импульс на электромагнитный сепаратор 9. Электромагнит вытягивает куски металла. Периодически (по заранее заданной программе) электромагнит отвозится в сторону электрической талью, обесточивается (при этом металл отпадает в специальный приемник 1 и вновь устанавливается над лентой конвейера). Если электромагнитный сепаратор по каким-либо причинам не извлек металлическое включение, то второй металлоискатель 3 с маркирующим устройством 8 при обнаружении металла через щит управления и сигнализации 4 отключает магнитный пускатель 6 электрического привода 7 конвейера 2. Оперативность управления и надежность эксплуатации автоматизированного дробильного комплекса обеспечиваются работой системы сигнализации, информирующей обслуживающий персонал о состоянии технологических параметров и режимов работы оборудования. Нормальная температура масла в маслобаке и работа рабочего маслонасоса сигнализируются лампами. При включении резервного насоса, не соответствующего положению переключателя, загорается желтая лампа и включается звуковая сигнализация. Схема аварийной сигнализации выполнена на реле импульсной сигнализации (РИС). При аварийном состоянии технологического параметра или агрегата срабатывает соответствующий датчик или реле контроля и замыкает контакт в цепи табло, включенного последовательно с РИС. Вследствие этого загорается лампа на табло и включается звонок при следующих аварийных состояниях: высокая температура подшипников дробилки и масла в маслоотстойнике; низкий уровень масла в маслоотстойнике и сливных магистралях; высокий уровень масла в маслоотстойнике; высокое давление масла в нагнетательном маслопроводе; аварии фильтров, системы жидкой смазки, маслонасоса густой смазки; низкое давление воды; зависание негабарита; низкая подушка на питателе. Звуковой сигнал может быть снят кнопкой, при нажатии которой РИС приводится в исходное положение, но сигнальное табло продолжает светиться до устранения аварий. Для периодического опробования сигнальных ламп аварийной сигнализации имеются кнопки опробования. При прохождении второго аварийного сигнала снова происходит заряд емкости и работает схема. Такая система позволяет использовать реле для сигнализации от 8 до 15 параметров.

Принципиальная схема устройства реле приведена на рис. 3.35. При замыкании контактов какого–либо из реле Р1–Р4 загорается соответствующая лампочка и через входной резистор R1 устройства РИС проходит ток. В зависимости от значения R1 и тока на резисторе происходят нарастание потенциала и процесс заряда конденсатора через выпрямитель В1. Во время заряда конденсатора через обмотку поляризованного реле РП1 протекает импульс зарядного тока, вследствие чего оно срабатывает и замыкает цепь промежуточного реле РП, которое своими контактами включает звонок. При замыкании кнопки Кн цепи возврата реле РП якорь его перебрасывается в первоначальное положение. Для определения количественных показателей работы дробильносортировочного завода необходим автоматический учет следующих показателей: · количества сырья, поступающего из карьера (осуществляется автомобильными весами, автоматически суммирующими массу груженых машин за вычетом массы тары); · количества готовой продукции по фракциям (учитывается автоматическими конвейерными весами с дистанционной регистрацией производительности).

Рис.3.35 . Принципиальная схема реле импульсной сигнализации

Весовой контроль потоков материалов производится при помощи ленточных весов, работающих по принципу механического взвешивания,

или электронных весов, действующих на основании свойств материалов поглощать радиоизотопные излучения. Учет времени работы и простоев основного технологического оборудования осуществляется на установке «Сигнал». 3.3.7. Автоматизация конусных и валковых дробилок Конусные дробилки являются механизмами с благоприятными условиями пуска, разгон которых легко осуществляется асинхронными двигателями с короткозамкнутыми роторами. Для пуска дробилки необходимо включить систему смазки и выбрать режим управления. В цепь пуска вводится разрешающий контакт реле контроля уровня масла. Аварийное отключение двигателя дробилки производится при исчезновении масла на сливе и при отключении механизмов поточно– транспортных систем, следующих после дробилки. О загрузке материалом дробилки косвенно судят по току статора приводного асинхронного двигателя. Кроме того, вводят корректирующий сигнал по току нагрузки питателя. Суммарный сигнал поступает на автоматический регулятор, где он сравнивается с заданием. Регулятор, воздействуя на питатель, обеспечивает нормальный режим работы конусной дробилки. Задача автоматического регулирования процесса дробления включает не только обеспечение полной нагрузки дробилки, но и поддержание заданной крупности материала на выходе. Автоматическое регулирование величины разгрузочной щели конусной дробилки в зависимости от необходимой крупности материала на выходе позволяет получить заданное качество дробленого материала.

Рис.3.36. Статические характеристики дробилок:1– конусной; 2– валковой

Рис.3.37. Статические характеристики конусной дробилки КМД1750

Переходные процессы в конусной дробилке описываются исходным уравнением (3.7) и дополнительной статической зависимостью

Q2 = f ( M ) , примерный вид которой показан на рис. 3.36 (кривая 1). Конусную дробилку можно рассматривать как самовыравнивающееся звено с коэффициентом саморегулирования k=tg a . Ее передаточная функция имеет вид W1 ( p ) =

M ( p) k = . Q1 ( p ) Tp + 1

(3.23)

Рассчитаем параметры передаточной функции для конусной дробилки типа КМД-1750 с максимальной производительностью 120 т/ч. По статической характеристике (рис.3.37) выбираем рабочую точку, соответствующую производительности Q = 100 т/ч и запасу материала М = =0,27 т. Приняв малые приращения ∆M = 0,06 т, по статической характеристике получаем приращение производительности ∆Q = 12 т/ч = =0,0033 т/с, тогда коэффициент k = ∆Q/∆М = 0,0033/0,06 = 0,054 1/с, а постоянная времени объекта Т= 1/0,054 = 18,5 с. Окончательно передаточная функция конусной дробилки при данной загрузке будет

W ( p )=

DM ( p ) T 18 ,5 . = = DQ1 ( p ) Tp + 1 18 ,5 p + 1

(3.24)

Валковая дробилка применяется при вторичном измельчении материала. При изменении нагрузки валковой дробилки изменяется крупность дробимого продукта, так как валки укреплены на пружинах. Технологическая схема валковой дробилки представлена на рис. 3.38. Схема управления валковой дробилкой аналогична схеме управления конусной дробилкой. Загрузка дробилки контролируется по току статора двигателя. Переходные процессы в валковых дробилках определяются основным уравнением динамики (3.7). В диапазоне изменения запаса материала в дробилке от 0 до М1 статическая характеристика почти линейна (рис. 3.36, кривая 2). На этом участке при линеаризации уравнения движения дробилки переходный процесс описывается уравнением

М = k1Q1, где k1 – коэффициент пропорциональности. В этой зоне валковую дробилку можно считать безынерционным звеном (рис. 3.39) с передаточной функцией

W1 ( p ) = k1 .

(3.25) Для зоны загрузки дробилки материалом от М1 до М2 ее производительность не зависит от запаса материала в дробилке. Виброгрохот предназначен для сортировки дробленого материала по фракциям. Контроль за работой грохота и управление им осуществляется автоматически. Конструктивная схема виброгрохота показана на рис. 3.40. Автоматический контроль работы виброгрохотов осуществляется реле скорости с магнитоиндукциоиным датчиком. Датчик устанавливается вблизи дебаланса. Во время работы виброгрохота в обмотке датчика индуцируется переменное напряжение, которое передается в релейный усилитель.

Рис. 3.38. Технологическая схема валковой дробилки

Рис. 3.39. Переходные процессы в валковой дробилке

3.3.8. Автоматическое управление работой виброгрохотов При снижении оборотов дебаланса реле отключается. Это же происходит, если зазор между дебалансом и датчиком увеличится при растяжении или обрыве подвесок грохота. Контакт реле включают в цепь самоблокировки катушки магнитного пускателя двигателя. Продолжительность пуска виброгрохота составляет приблизительно 10 с, поэтому импульс на включение последующих машин и механизмов

подается через реле времени с установкой, несколько превышающей продолжительность пуска. Для контроля состояния сит виброгрохотов через них протягивают провод, по которому пропускают электрический ток. При обрыве сит, а вместе с ними и провода, оператору поступает сигнал. Для обеспыливания помещения в местах перегрузок материалов щебень смачивают или моют на виброгрохотах или корытных гидросистемах. Воду в форсунки гидросистемы подают в зависимости от скорости движения ленты конвейера и от наличия материала на конвейерной ленте. Дренажные воды откачиваются песковыми вертикальными насосами. Автоматическое управление насосами и вентилями подачи воды для взмучивания в приемнике осуществляют сигнализаторами уровня.

Рис. 3.40.Схема виброгрохота

Рис.3.41.Статические характеристики виброгрохота

Рассмотрим уравнения динамики грохота. Из условия непрерывности потока находим уравнение материального баланса для грохота: dM + Q2 + Q3 = Q1 , dt

где М–запас материала на сите, т; Q2– подрешетный отводный поток, т/ч; Q3 – надрешетный отводный поток, т/ч; Q1 – подводимый поток, т/ч. Экспериментально определяем уравнения статики: Q2=f (M); Q3=f (M).

Примерные графики этих зависимостей показаны на рис. 3.42. Как видно из рисунка, с увеличением запаса материала на сите нижний отводимый поток быстро возрастает, а затем асимптотически приближается к пределу Q2max. Предел обусловлен ограниченностью пропускной способности отверстий грохота. Верхний отводимый поток с увеличением запаса материала возрастает неограниченно.

Рис. 3.42. Переходные процессы в виброгрохоте

Дифференциальное уравнение грохота нелинейно, и решение его можно осуществить численным методом Эйлера. Характер рассчитанных переходных процессов представлен на рис. 3.42. При работе грохота с малыми отклонениями нелинейное уравнение можно линеаризовать. Для этого в окрестности рабочей точки берем малые приращения и запишем соотношения

DQ2 = lDM ; DQ3 = nDM . Тогда уравнение в приращениях грохота запишется так: d DM + lDM + DM = DQ1 . dt Разделив правую и левую части уравнения на коэффициент при ∆M, получим 1 dDM 1 + DM = DQ1 . l + n dt l+n

Обозначив

1 = T , запишем l+n T

dДД + ДM = TDQ1 . dt

Произведя преобразование Лапласа при нулевых начальных условиях, получим передаточную функцию грохота

W1 ( p) =

ДM(p) T . = ДQ1(p) Tp + 1

(3.26)

Таким образом, грохот является апериодическим звеном первого порядка. Такой же вид имеют передаточные функции и по другим параметрам грохота: DQ2 ( p) K W2 ( p) = (3.27) = 1 ; DQ3 ( p) Tp + 1

W3 ( p) = где K1 =

DQ3 ( p) K = 2 , DQ3 ( p) Tp + 1

(3.28)

l n ; K2 = . l+n l +n

Ввиду того, что статические характеристики грохота нелинейные, численные значения постоянной времени и коэффициентов передачи K1 и К2 для различных рабочих точек будут разными. В качестве примера определим численные значения параметров передаточных функций для грохота, имеющего размеры сита 1750×3500мм и максимальную производительность Q1=600 т/ч, а максимальный запас на сите М=2 т. На статических характеристиках по каталожным данным выбираем рабочую точку, соответствующую запасу материала М=1,16т и производительности Q2=400 т/ч и Q3=100 т/ч. Задаваясь малыми приращениями DM = 0,33 т, по статическим характеристикам грохота находим значения DQ2 = 70 т/ч = 0,019 т/с и DQ3 = 50 т/ч = 0,014 г/с. Используя эти данные, определим коэффициенты:

DQ2 0 ,019 = = 0 ,057 1/c; DM 0 ,33 DQ3 0 ,014 n=D = = 0 ,042 1/c; DM 0 ,33 0 ,042 n = = 0 ,42 ; K2 = l + n 0 ,057 + 0 ,042 1 1 T= = = 10 c. l + n 0 ,057 + 0 ,042 l=

Окончательно имеем передаточную функцию грохота по каналу Q3–Q1:

DQ3 ( p ) 0 ,42 . (3.29) = DQ1 ( p ) 10 p + 1 В случае двухситного грохота основными уравнениями являются: W3 ( p ) =

dM 1 + Q2 + Q3 = Q1 ; dt dM 2 + Q4 + Q5 = Q2 . dt

Кроме того, существуют дополнительные зависимости:

Q2 = f ( M ) ; Q3 = f ( M ) ; Q4 = f ( M ) ; Q3 = f ( M ) . Двухситный грохот в линейном приближении характеризуется следующими передаточными функциями:

DM 2 ( p ) K2 T2 ; (3.30) = × DQ1 ( p ) T1 p + 1 T2 p + 1 K5 DQ4 ( p ) K2 = × W2 ( p ) = , (3.31) DQ3 ( p ) T1 p + 1 T2 p + 1 где T1 и Т2 – постоянные времени первого и второго сит. Таким образом, двухситочный грохот можно представить в виде двух последовательно соединенных апериодических звеньев. В переходных процессах изменяются не только запас материала и отводимые из грохота материальные потоки, но и эффективность грохочения. На рис. 3.43 приведен примерный график зависимости извлечения ε материала в отводимый нижний поток от запаса на сите, т.е. ε=f(M). По мере увеличения запаса М извлечение ε уменьшается, асимптотически приближаясь к нулю. W1 ( p ) =

Рис.3.43. Графики зависимости извлечения материала

от его запаса на сите и времени

Следует также отметить, что грохот, являясь механической колебательной системой, при некоторой частоте качаний попадает в резонанс, при котором амплитуда качаний максимальна. Вершина экстремальной характеристики при изменении нагрузки грохота дрейфует. Следовательно, система является экстремальной. Наличие экстремальной статической характеристики, устанавливающей зависимость амплитуды от частоты качания грохота, представляет некоторый интерес. Эта характеристика позволяет применить экстремальную систему автоматического регулирования процесса с подстройкой частоты колебаний. 3.3.9. Оптимизация процессов грохочения Любой агрегат разделения (обогатительный или классифицирующий) является анализатором качества продукции. Рассмотрим структурную схему оптимизатора процесса сортировки продуктов по фракциям (рис. 3.44) и зависимость выхода одного из них gА=QA/Q от производительности грохота по исходному продукту Q (рис. 3.45). Зависимости отношений QB/Q и QC/Q от Q могут иметь вид кривых, показанных на рисунке сплошной и штриховой линиями. Общим является то, что в области нормального режима (в пределах отрезка А–К) наклон a линии gi=f(Q) мал, в области ненормального режима (правее точки К) – велик. Заметим, что в процессе работы агрегата критическая точка К может перемещаться либо под влиянием случайных факторов, либо искусственным путем. Для получения информации о качестве готовых продуктов нужно измерить величину gнорм при нормальном режиме и величину gА при увеличенной производительности Q. Сравнение этих величин дает сведения о степени близости режима к критической точке К. g ³ g норм агрегат работает в нормальном режиме и имеет место При А g £ g норм качественное разделение продуктов. При А агрегат работает в критическом режиме с неполным разделением продуктов. Учитывая сказанное, для получения информации об эффективности работы агрегата необходимо иметь два весовых измерения: при нормальном режиме и в текущий момент. Таким образом, задача оптимизатора сводится к поиску максимально возможной производительности, близкой к точке К, при сохранении высокого качества разделения продукта. Для этого оптимизатор должен периодически изменять производительность агрегата небольшими скачками, измерять величину gА и сравнивать ее с предыдущим значением.

Получив информацию о значении gАК+2 и зная предыдущие значения gАК+1 и gАК, логическое устройство системы управления выбирает направление регулирующего движения по одному из следующих алгоритмов: · первый алгоритм: gАК+1=gАК – производительность увеличивается на DQ; gАК+1¹gАК – производительность уменьшается на DQ; · второй алгоритм: gАК+2–gАК+1=gАК+1–gАК – производительность увеличивается на DQ; gАК+2–gАК+1¹gАК+1–gАК – производительность уменьшается на DQ.

Рис. 3.44. Структурная схема оптимизатора процесса сортировки

Рис. 3.45. Зависимость выхода продукта от производительности грохота

Для оптимизации процесса сортировки устанавливаем весы на входе материала в классификатор (рис 3.44). Сигналы величин Q и QA с датчиков массы 7 и 5 поступают в функциональный блок деления 4. Выходной сигнал этого блока gА=QA/Q подается в логическое устройство 3, которое управляет исполнительным механизмом 1, изменяющим расход исходного материала Q. Такая система оптимизирует режим путем изменения производительности. На дробильно-сортировочных заводах часто агрегаты разделения питаются не из промежуточных емкостей, а непосредственно из щековой дробилки. В этом случае свойство агрегата разделения как «анализатора» может быть использовано для настройки параметров самого агрегата, чтобы при заданной производительности работа осуществлялась в наиболее экономичном режиме.

Производительность грохота по питанию, если он расположен сразу после дробилки, обычно не регулируется. В этих случаях можно поставить задачу оптимизации режима работы грохота путем регулирования угла наклона короба с ситом. При поминальной производительности устанавливается некоторый средний угол наклона. При уменьшении производительности для повышения эффективности следует уменьшить угол наклона. Наоборот, при повышении производительности по питанию угол наклона надо увеличить. Управляющее воздействие, меняющее угол наклона, можно выбирать при рассмотренных выше алгоритмах, только теперь вместо изменения производительности будут фигурировать шаговые изменения угла наклона короба. В этом заключается назначение сигнала настройки параметров. Заметим, что при таком способе поиска не производительность агрегата приближается к заданным параметрам режима – точке К, а сама точка К приближается к заданной производительности за счет изменения параметров. В заключение следует указать еще на возможный способ оптимизации. Если к статической характеристике gА=QA/Q прибавить прямую линию с уравнением g A = kQ , то результирующая характеристика

g å = kQ + Q A / Q будет экстремальной кривой и для оптимизации можно применить экстремальный регулятор. Управляющим входом здесь будет величина Q, а максимизируемым выходом – величина kQ+(QA/Q). 3.3.10. Автоматизация поточных технологических линий дробильно-сортировочных систем В предыдущих подразделах рассматривалась динамика отдельных агрегатов и машин. Зная уравнения каждого из звеньев и имея структурную схему технологических линий, можно судить о поведении технологического процесса в целом. Рассмотрим технологические линии сортировки, обезвоживания и дробления материалов. При сортировке материалов исходный продукт q1 (рис. 3.46) поступает на предварительное грохочение; запас материала – на первом грохоте m1. Надрешетчатый поток q3 поступает в дробилку, запас материала в которой равен m2. Поток дробленого материала q5. После второго грохота материал делится на фракции q6 и q7. При малых отклонениях параметров от рабочих режимов динамическую систему можно рассматривать в линейном приближении. Эту технологическую линию и следует принять за

исходную при проведении исследования системы автоматического регулирования. Технологическая линия обезвоживания материалов показана на рис. 3.47, а, из которого видно, что пульпа поступает в емкость 1 в количестве q1, откуда она откачивается насосом 2 с постоянной производительностью. Далее по пульпопроводу 3 продукт поступает в сгуститель 4 и по пульпопроводу 5 – в фильтр 6. По конвейеру 7 отфильтрованный концентрат подается в сушильный агрегат 5. Теплоноситель подается из топки 9, куда поступают топливо GT и воздух Gв.

Рис. 3.46. Технологическая линия дробления и сортировки (а) и ее структурнодинамическая схема (б)

Учитывая передаточные функции отдельных звеньев, структурнодинамическая схема технологической линии имеет вид, показанный на рис. 4.47, б. Технологическая линии д р о б л е н и я материалов рассмотрена на примере конусной дробилки. При автоматическом регулировании производительности конусной дробилки стремятся стабилизировать запас материала в ее пасти. За меру запаса принимают косвенный параметр значения электрического тока или мощности двигателя дробилки. При комбинированном регулировании можно использовать сумму сигналов, пропорциональных мощности двигателя дробилки и производительности питающего конвейера. Рассмотрим один из вариантов технологической схемы дробления (рис. 3.48, а. Исходный материал из бункера 1 вибропитателем 2 подается на грохот 3. Верхний продукт грохота транспортируется конвейером 4 в

конусную дробилку 5. Сигнал от датчика мощности Д привода дробилки через автоматический регулятор АР воздействует на производительность вибропитателя. Структурно-динамическая схема рассмотренной технологической линии представлена на рис. 3.48, б.

Рис. 3.47. Технологическая линия обезвоживания материала (а) и ее структурнодинамическая схема (б)

Рис. 3.48. Технологическая линия дробления в конусной дробилке (а) и ее структурнодинамическая схема (б)

3.4. Автоматизация процессов дозирования и взвешивания 3.4.1. Классификация технологических дозаторов и весов Автоматические весы и весовые дозаторы для сыпучих материалов и жидкостей делятся на две группы: дискретного и непрерывного действия. Дозаторы дискретного действия обеспечивают автоматизацию циклических процессов производства и в зависимости от способа дозирования материала могут быть объемными или весовыми. На предприятиях стройиндустрии наибольшее распространение получили весовые дозаторы, обеспечивающие большую точность дозирования. Весовые дозаторы дискретного действия выполняются однофракционными, двухфракционными и многофракционными. Однофракционные дозаторы предназначены для дозирования одного вида материала. В двухфракционных и многофракционных дозаторах обычно производится последовательное дозирование двух или нескольких видов материалов. Продолжительность цикла дозирования в многофракционных дозаторах равна сумме времени взвешивания каждого вида материала в отдельности. В весовых дозаторах дискретного действия (рис. 3.49) взвешиваемый материал гравитационно или с помощью питателя поступает в весовой ковш 1 (бункер), подвешенный на системе грузоприемных рычагов 2, соединенных с весоизмерительным устройством 3. Выгрузка материала из дозатора происходит по окончании взвешивания требуемой дозы через дно 4 весового ковша, которое открывается по команде, подаваемой оператором или автоматическим устройством. Весовые дозаторы непрерывного действия предназначены для выдачи определенной массы материала в единицу времени, обеспечивая требуемую производительность – массовый расход сыпучих материалов и жидкостей. Автоматическое непрерывное весовое дозирование материала производится двумя типами дозаторов: бункерными и ленточными. Бункерные дозаторы основаны на измерении чувствительным элементом 2 и датчиком времени 4 (рис. 3.50, а) расхода во времени материала 5 из питателя и суммирования его интегратором 3 по мере загрузки или опорожнения бункера 1. Система автоматики этого дозатора обеспечивает регулирование расхода питателя пропорционально изменению массы материала в бункере. Такие системы наиболее удобны для дозирования жидкостей.

Рис. 3.49. Дозатор дискретного действия с квадрантным циферблатным указателем

Наиболее распространенными весовыми дозаторами непрерывного действия для сыпучих материалов являются ленточные дозаторы (рис. 3.50, б). В них осуществляются преобразование с помощью чувствительного элемента 2 потока материала 5, поступающего из питателя в весовую нагрузку на конвейер 1, и измерение скорости его движения с помощью датчика 4 скорости ленты. Отождествляя скорость ленты конвейера (при постоянной скорости ленты) со скоростью потока и интегрируя по времени сигнал (интегратор 5), пропорциональный нагрузке на конвейер, получим суммарную массу материала за определенное время. При переменной скорости ленты конвейера интегрируется его производительность – произведение нагрузки и скорости. Автоматические конвейерные весы предназначаются для взвешивания материала, движущегося в потоке. По принципу действия интегрирующих устройств автоматические конвейерные весы делятся на весы дискретного и непрерывного действия, которые отличаются дискретным и непрерывным учетом материалов, перемещаемых на ленте конвейера. Каждая из этих групп весов разделяется на весы, встраиваемые в действующие конвейеры, и весы с коротким весовым конвейером, являющимся неотъемлемой грузоприемной частью весов. Конвейерные весы с дискретной системой регистрации основаны на взвешивании участков ленты конвейера, передающих нагрузку на весы каждый раз, когда лента переместится на длину участка, равного теоретической длине платформы. К весовым устройствам дискретного действия относятся также весы для взвешивания тарных и штучных грузов (вагонные и автомобильные весы). Конвейерные весы с непрерывной системой регистрации предназначены для определения массы материала, прошедшего через весы,

и характеризуются непрерывным взвешиванием путем интегрирования по времени функции погонной нагрузки по длине ленты конвейера.

Рис. 3.50. Схемы дозаторов непрерывного действия: а – бункерного; б – ленточного

3.4.2. Динамические погрешности процесса дискретного дозирования В дозаторах дискретного действия весовой бункер воспринимает одновременно статическое Gст и динамическое Рст воздействия потока материала, поэтому в процессе загрузки стрелка циферблатного указателя будет занимать положение, превышающее отметку шкалы, соответствующую массе взвешиваемого материала. Однако так как масса столба, находящегося в воздухе между питателем и уровнем загрузки бункера, всегда больше динамического воздействия этого же столба, то при отсечке материала в заданной точке шкалы циферблатного указателя будет наблюдаться положительная погрешность дозирования. В этом случае для обеспечения требуемой точности дозирования команда на отсечку материала подается с упреждением Y по отношению к заданной дозе материала. Тогда, учитывая время запаздывания τ в исполнительном механизме дозатора, можно записать следующее выражение для динамической погрешности дозирования Dq:

Dq = ( Qсрt + Gст - Pст ) - Y ,

(3.32)

где Qcp – средняя производительность питателя в период между подачей команды на отключение исполнительного механизма и отсечкой материала. Поскольку параметры, заключенные в скобки, существенно зависят от многих случайных факторов (физико-механических свойств материала, высоты столба, давления воздуха в пневматических питателях и пр.), то

при постоянном значении Y динамическая погрешность может принимать недопустимые значения. Для повышения точности дозирования предусматривается режим досыпки, когда порции материала, поступающего в весовой бункер, имеют массу, равную допустимой погрешности взвешивания. Кроме того, при дозировании компонентов нарастающим итогом можно корректировать задание каждой последующей дозы по ее массе в предыдущем цикле. В этом случае истинное значение массы qi материала в i-м цикле дозирования определяется так: qi = q з ± Dq(i -1) ± Dqi ,

[

]

где qз – величина заданной дозы компонента; Dqi – погрешность дозирования в данном цикле; Dq(i-1) – погрешность дозирования в предыдущем цикле. При таком алгоритме управления суммарная абсолютная погрешность циклов не будет превышать абсолютной ошибки последнего (n-го) цикла дозирования Dqn: n

å qi = nq3 ± Dqn .

i= 1

Относительная погрешность δqn характеризуется отношением погрешности последней дозы к заданной массе материала в п дозах, входящих в состав смеси:

дqn =

Dqn nq з

.

3.4.3. Автоматическое управление дозаторами дискретного действия Основным требованием, предъявляемым к автоматическим системам управления дозаторами дискретного действия, является отсечка материала, поступающего в весовой бункер дозатора при достижении заданной дозы компонента. При этом для обеспечения достаточно высокой точности дозирования необходимо учитывать возможную динамическую перегрузку. В зависимости от способа контроля массы материала можно осуществлять стартстопное, аналоговое или цифровое управления исполнительными механизмами питателей дозаторов. При стартстопном управлении контроль массы осуществляется путевыми выключателями, фиксирующими положение стрелки в определенных точках циферблатного указателя. При аналоговом и цифровом управлениях контроль массы

осуществляется путем преобразования угла поворота стрелки в аналоговый сигнал или цифровой код. П р и с т а р т с т о п н о м у п р а в л е н и и путевые выключатели могут предварительно устанавливаться в заданных точках циферблатного указателя, обеспечивая дозирование материала по жесткой программе. Системы жесткого программирования с конструктивной точки зрения являются наиболее простыми. Однако в них не предусмотрено оперативное изменение дозы компонентов и ограничено количество рабочих программ. Системы гибкого программирования в начале каждого цикла могут перестраиваться, дистанционно перемещая путевые выключатели в заданное положение с помощью аналоговых или цифровых следящих устройств. В таких системах (рис. 3.51, а) используется циферблатный указатель с отслеживающим диском 1, на котором установлены бесконтактные датчики 2 и 3. Флажок 4, прикрепленный к стрелке циферблатного указателя, проходя в пазах датчика, воздействует на него, в результате чего на выходе датчика появляется сигнал. Диск приводится во вращение реверсивным двигателем МР через зубчатую передачу. Управляющее воздействие на двигатель МР подается от следящего устройства СУ.

Рис. 3.51. Схема автоматического управления дозатором с отслеживающим диском: а – структурная схема управления; б – временные диаграммы

При подаче включающего сигнала S двигатель М шнекового питателя начинает работать в режиме номинальной скорости (НС) и материал интенсивно подается из расходного бункера БР в весовой бункер БВ дозатора. Когда флажок 4 войдет в паз датчика 2, появляется сигнал предварения R1, вследствие чего двигатель М переводится в режим

пониженной скорости (ПС). Теперь снижается интенсивность подачи материала, благодаря чему повышается точность дозирования. При входе флажка 4 в паз датчика 3 появляется сигнал остановки R2 и двигатель М отключается. На основании анализа временных диаграмм (рис.3.51,б), составленных в соответствии с условиями работы системы управления, можно записать алгоритмы формирования командных сигналов номинального режима М1 и режима пониженной скорости M2:

M 1 = Int [(0 ® 1)S - (0 ® 1)R1 ]; ü (3.33) ý M 2 = Int [(0 ® 1)R1 - (0 ® 1)R2 ].þ Основной недостаток стартстопного управления исполнительным механизмом питателя дозатора состоит в том, что погрешность дозирования материала при таком способе управления существенно зависит от динамической перегрузки. В а н а л о г о в ы х с и с т е м а х у п р а в л е н и я питателями дозаторов в качестве преобразователей «угол – аналоговый сигнал» обычно используются бесконтактные сельсины, которые не оказывают существенного влияния на точность работы циферблатного указателя (рис.3.52). В таких системах требуемая доза компонента задается изменением углового положения ротора сельсина-датчика СсД, а контроль массы материала, поступающего в весовой бункер, осуществляется по значению разности между выходным напряжением Uc сельсина-приемника СсП и опорным напряжением U0, подаваемыми на вход фазочувствительного усилителя ФУ. В этом случае при нулевом положении стрелок задатчика дозы и циферблатного указателя УЦ массы роторы сельсинов смещены на угол 90°. Порог срабатывания релейного элемента РЭ устанавливают на уровне U1, при котором питатель переключается в режим пониженной скорости. Когда выходной сигнал V0 нуль-органа НО становится равным нулю, питатель отключается. При таких условиях получим следующие алгоритмы формирования командных сигналов номинального режима М1 и режима пониженной скорости М2:

M 1 = V1 ;

ü ý M 2 = V 1V0 .þ

(3.34)

В ц и ф р о в ы х с и с т е м а х у п р а в л е н и я питателями дозаторов используются преобразователи «угол – код», которые могут работать по принципу считывания или последовательного счета. При этом в число– импульсных преобразователях принцип последовательного счета

реализуется путем непосредственного квантования угла поворота стрелки циферблатного указателя, что можно осуществлять с помощью сравнительно простого устройства. Характерной особенностью таких преобразователей является представление контролируемой координаты в приращениях относительно некоторого начального значения. В этом случае изменение нулевого уровня отсчета, обусловленное налипанием материала на стенки весового бункера дозатора, не вносит систематических погрешностей в процесс дозирования.

Рис. 3.52. Сельсинная схема автоматического управления дозатором: а – функциональная схема управления; б – диаграммы напряжений

Рассмотрим цифровую систему управления питателем дозатора с относительным отсчетом координаты – массы материала, поступающего в весовой бункер БВ (рис. 3.53, а). В этой системе для преобразования угла поворота стрелки циферблатного указателя в унитарный код (последовательность импульсов, число которых соответствует значению контролируемой координаты) используется металлический зубчатый диск 3, непосредственно связанный с осью стрелки, и два автогенераторных датчика 1 и 2, установленных со сдвигом по фазе на четверть шагового интервала a. Сигналы датчиков d1 и d2 поступают на входы формирователя импульсов ФИ, который выдает счетные импульсы: при прямом ходе – стрелки по каналу вычитания Vв (рис.3 53, б), при обратном – по каналу сложения Vc (рис.3 53, в).

Рис. 3.53. Цифровая автоматическая система управления дозатором: а – структурная схема управления; б – формирование импульсов при прямом ходе стрелки; в – формирование импульсов при обратном ходе стрелки

На основании указанных временных диаграмм можно записать алгоритмы формирования импульсов унитарного кода: Vв = d 2 Im p(0 ® 1)d1 Ú d 2 Im p(1 ® 0 )d1 Ú d1 Im p(0 ® 1)d 2 Ú ü ï Ú d 1 Im p (1 ® 0 )d 2 ; ï (3.35) ý Vc = d 1 Im p(0 ® 1)d 2 Ú d1 Im p(1 ® 0 )d 2 Ú d 2 Im p (0 ® 1)d1 Ú ï ï Ú d 2 Im p (1 ® 0 )d1 . þ Импульсы унитарного кода поступают на вычитающий и суммирующий входы реверсивного двоичного счетчика. Старшие разряды счетчика Т4–Т7 соответствуют зоне r номинального режима загрузки, младшие разряды Т1–Т3 соответствуют зоне s режима досыпки,

дополнительный разряд знака Т8 – зоне h перегрузки весового бункера. В начале каждого цикла дозирования в триггеры основных разрядов вводится в двоичном коде число, соответствующее требуемой дозе материала, а триггер дополнительного разряда устанавливается на нуль. Алгоритмы формирования командных сигналов номинального режима М1 и режима пониженной скорости M2 можно записать так:

M 1 = c8 (c4 Ú c5 Ú c6 Ú c7 );

üï ý M 2 = c8 (c4 Ú c5 Ú c6 Ú c7 )(c1 Ú c2 Ú c3 ).ïþ

(3.36)

Когда стрелка циферблатного указателя пройдет зону r, все триггеры старших разрядов переключатся на нуль, а триггеры младших разрядов – на единицу. При этом снимается командный сигнал М1 и появляется М2, в результате чего двигатель М питателя включается на пониженную скорость. Когда стрелка пройдет зону s, все триггеры счетчика переключаются на нуль и двигатель М отключается. Если вследствие динамической перегрузки стрелка окажется в зоне h, то переключается на единицу триггер дополнительного разряда и прекращается управляющее воздействие на двигатель М. 3.4.4. Динамические и статические характеристики дозаторов непрерывного действия Весовой дозатор непрерывного действия (питатель, грузоприемное устройство) – объект регулирования – и регулятор производительности (датчик весового расхода, регулирующий блок, исполнительный механизм) представляют собой автоматическую систему регулирования, предназначенную для поддержания постоянства весового расхода Q потока дозируемых сыпучих материалов и жидкостей. Возмущающими воздействиями здесь являются колебания объемной массы материала во времени, изменение задания и нестабильность источников питания (давления воздуха, напряжения, тока). Несоответствие между заданной и выходной производительностью дозатора устраняется управляющим воздействием на регулирующий орган объекта – питатель. При дозировании сыпучих материалов используют питатели принудительного действия, из которых на предприятиях стройиндустрии применяют ленточные питатели с регулированием сечения материала на ленте или скорости ленты, шнековые питатели с регулированием скорости двигателя и вибрационные лотковые питатели с регулированием амплитуды колебаний лотка. Статические и динамические характеристики указанных питателей приведены в табл. 3.8.

Таблица 3.8 Статические и динамические характеристики питателей Тип питателя Ленточный питатель с регулированием сечения (парабола со срезанным сверху сектором)

Ленточный питатель с регулированием по скорости Шнековый питатель

Статическая характеристика

(

)

2 Q = gvf a 2 - b 2 , 3

где g – объемная масса, кг/м3; v – скорость ленты, м/с; f – коэффициент трения; a – ширина нижнего слоя, м; b – ширина верхнего слоя, м

(

)

æ Lö Q = QВХ ç t - ÷ , è vø где L – рабочая длина ленты питателя, м

2 Q = gf a 2 - b 2 v 3

Q = kv

pD 2 Q= ysgn , 4

Q = kn 1 - e -t / T ,

где D – диаметр шнека, м; s – шаг шнека, м; n – частота вращения, 1/с; y – коэффициент заполнения материала Вибрационный лотковый питатель

Динамическая характеристика

Q = gFwm cos b ,

где F – площадь выходного отверстия питателя, м2; ω – угловая частота колебаний, рад/с; m – амплитуда колебаний лотка, м; b – угол между тяговым усилием вибратора и направлением движения лотка, град

(

)

где Т – постоянная времени электропривода, с

æ Lö Q = QВХ ç t - ÷ , è vø где L – рабочая длина лотка, м; v – скорость перемещения материала, м/с

В дозаторах непрерывного действия, предназначенных для дозирования сыпучих материалов, грузоприемными устройствами являются ленточные конвейеры с встроенной весовой роликоопорой. В этом случае погрешность автоматического дозирования определяется непостоянством скорости конвейера vк, длины его загрузки Lк и мгновенного значения нагрузки Рк материала на ленте конвейера. Ленточный конвейер служит для передачи нагрузки материала на силоизмерительный элемент и, следовательно, может рассматриваться в системе автоматического регулирования дозатора как преобразователь, входная величина которого – производительность питателя QП, а выходная – нагрузка материала Рк. Тогда динамические свойства грузоприемного

устройства отображаются на структурной схеме системы с помощью двух звеньев – W1(p) и W2(р). Передаточная функция первого звена отображает поступление материала на движущийся с постоянной скоростью конвейер: 1 W1 ( p ) = . p Передаточная функция второго звена отображает ссыпание материала с конвейера, в результате чего уменьшается нагрузка материала: 1 W2 ( p ) = - e - pt к , p где τк – время перемещения материала от входа до выхода конвейера. Поскольку входная величина для обоих звеньев – производительность питателя QП, а нагрузка материала Рк (выходная величина грузоприемного устройства) определяется алгебраической суммой выходных сигналов звеньев, то результирующая передаточная функция записывается по правилу параллельного соединения:

W( p ) =

(

)

1 1 - e - pt к . p

(3.37)

3.4.5. Автоматическое управление дозаторами непрерывного действия Для автоматического управления дозаторами непрерывного действия могут использоваться регуляторы различных типов: позиционные (Пз), пропорциональные, или статические (П), пропорционально-интегральные, или изодромные (ПИ), и пропорционально-интегральные с воздействием по производной (ПИД). Выбор типа регулятора производится в зависимости от динамических характеристик дозатора (как объекта регулирования) и требований, предъявляемых к системе. При оптимальных настройках системы регулирования весовые дозаторы непрерывного действия обеспечивают дозирование массы материалов с интегральной погрешностью, выраженной в процентах максимальной производительности дозатора (0,5–2%) за время 3–6 мин. Внутри этого интервала времени мгновенные отклонения производительности дозатора могут отличаться и зависят от возмущающего воздействия. Рассмотрим типовые системы автоматического регулирования производительности дозаторов непрерывного действия. Весовой дозатор непрерывного действия для песка и щебня (рис. 3.54) состоит из конвейера 1, подающего материал в смеситель; конвейера 2 дозатора, связанного с коромыслом 4 весов; электромагнитного

вибратора 3; фазочувствительного электронного усилителя 5, усиливающего сигнал от индуктивного датчика 7, сердечник которого соединен с коромыслом весов, и дросселя насыщения 6, подключенного к источнику питания последовательно с управляющей обмоткой электромагнитного вибратора. При изменении положения коромысла весов соответственно изменяется ток подмагничивания дросселя насыщения, что в свою очередь приводит к изменению тока управления электромагнитного вибратора и, следовательно, производительности питателя дозатора. Аналогично построена схема управления дозатором цемента со шнековым питателем (рис. 3.55). В этой схеме дроссель насыщения 7 подключен к источнику питания переменного тока последовательно с якорем электродвигателя 4 привода шнека. Кроме того, в цепь якоря электродвигателя включен выпрямитель, обеспечивающий питание якоря постоянным током. При изменении положения коромысла весов 5 соответственно изменяется число оборотов шнека 3 и скорость выдачи материала из бункера на конвейер 2 дозатора.

Рис. 3.54. Схема автоматического управления дозатором с вибропитателем

Дозатор, предназначенный для непрерывной подачи жидких компонентов технологических смесей (рис. 3.56), имеет весовой бак 9 со сливной трубой 4, насосом 10 и приводом 8. Весовая система состоит из грузоприемного 5 и передаточного 1 рычагов, воспринимающих усилие от весового бака и передающих его на циферблатный пружинный указатель 2.

Электромагнитный вентиль 13 обеспечивает циклическую заливку бака 9 по сигналам уровнемера 6. Работа дозатора происходит следующим образом. По шкале задатчика 15 назначается необходимая производительность.

Рис. 3.55. Схема автоматического управления дозатором со шнековым питателем

Сельсин-датчик 14, жестко связанный с выходным валом задатчика 15, вращается с частотой, пропорциональной заданной производительности, а сельсин-датчик 3, связанный с осью стрелки циферблатного указателя 2, вращается с частотой, пропорциональной частоте вращения стрелки и, следовательно, истинному массовому расходу жидкости в единицу времени.

Рис.3.56. Автоматический дозатор для непрерывного дозирования жидких компонентов

При синхронной работе сельсинов их угловое рассогласование равно нулю. В этом случае истинный массовый расход компонента соответствует заданному. При отклонении истинной производительности от заданной произойдет угловое рассогласование сельсинов, в результате чего в их цепи возникает ток. Усиленный электронным усилителем 16 ток сельсинов

приведет во вращение реверсивный электродвигатель 7 привода в сторону, корректирующую значение истинной производительности, увеличивая или уменьшая проходное сечение 12 клапана 11. По такому же принципу работает бункерный дозатор (рис. 3.57) для дозирования сыпучих материалов с электронным пропорциональным регулятором 5 и установкой 2 для возврата стрелки на нуль.

Рис. 3.57. Автоматический бункерный дозатор непрерывного действия

Производительность дозатора устанавливается заданием скорости привода ходового винта 1 с передвижной гирей. Величина отклонения рычажной системы 8 и коромысла 3 весов, пропорциональная изменению массы в бункере, определяется положением датчика в дифференциальном трансформаторе 4. Пропорционально положению датчика возникает электрический сигнал, который передается на электронный регулятор 5, регулирующий амплитуду и производительность вибродвигателя 6 лоткового питателя 7 в зависимости от величины отклонения коромысла 3 весов. При многокомпонентном дозировании несколько дозаторов непрерывного действия с автономным регулированием объединяются в систему, которая может функционировать следующим образом. Вариант 1. Несвязанное дозирование нескольких компонентов с производительностью, поддерживаемой в заданном постоянном соотношении (рис. 3.58, а), осуществляется от общего для всех дозаторов канала. Сигнал от программного задатчика, определяющий значение производительности всех компонентов, подается для операций умножения на постоянный коэффициент (0 ,2 £ K m £ 2 ) на аналого-множительные

устройства АМУ, число которых равно числу дозаторов; значения соотношения можно менять изменением коэффициентов К1 – К3. Вариант 2. Функциональное дозирование нескольких компонентов с коррекцией соотношения и параллельным соединением дозаторов (рис. 3.58, б). В этом случае дозатор 1 основного компонента принимается за ведущий. На него поступает сигнал задания через функциональный блок АМУ или программный задатчик. Этот же сигнал является входным для функциональных блоков ведомых дозаторов 2 и 3, на которые поступают сигналы, корректирующие производительность каждого дозатора.

К3 К2 К1

Дозатор 3

Дозатор 2

Дозатор 1

АМУ

АМУ

АМУ Сигнал от задатчика

Q1* Q2 * Q3 =

var

Рис. 3.58. Структурные схемы автоматических систем многокомпонентного дозирования: а– несвязанное дозирование компонентов; б– дозирование компонентов с коррекцией соотношения при параллельном соединении дозаторов; в– дозирование компонентов с коррекцией соотношения при последовательном соединении дозаторов

в

Вариант 3. Функциональное дозирование нескольких компонентов с коррекцией соотношения и последовательным соединением дозаторов (рис. 3.58, в). В установке трехкомпонентного дозирования с коррекцией соотношения в качестве ведомых принимаются дозаторы 2 и 3, включенные последовательно с ведущим дозатором 1 основного материала. 3.4.6. Автоматический контроль расхода материалов при дозировании Автоматический контроль расхода материалов в дозаторах дискретного действия с циферблатными указателями массы можно осуществить путем суммирования нарастающим итогом угла поворота

стрелки при загрузке или разгрузке весового бункера в каждом цикле дозирования. При этом угол поворота стрелки передается на измерительное устройство непосредственно (прямой контроль) либо после преобразования в числоимпульсный код (косвенный контроль). Рассмотрим устройство прямого контроля расхода материала при дозировании (рис. 3.59). Дифференциальная электромагнитная муфта 2 фрикционного типа может находиться в двух состояниях: в одном состоянии выходной вал 3 муфты сцепляется с осью 1 стрелки весоизмерительной головки дозатора, в другом – фиксируется, т. е. происходит запоминание достигнутого положения. На валу 3 муфты установлен экранный флажок 4, выполненный в виде трех металлических лепестков, расположенных под углом 120° . При повороте вала 3 лепестки входят в щели бесконтактных путевых датчиков 5 и 6.

Рис. 3.59. Схема автоматического устройства прямого контроля расхода материала

Электрические сигналы от датчиков поступают на соответствующие входы триггера Т, связанного с формирователем импульсов ФИ, который переключает электромагнитный счетчик импульсов 7. Устройство работает следующим образом. При загрузке материала в бункер дозатора на обмотку электромагнитной муфты подается управляющее напряжение U1, фиксирующее выходной вал. При включении выпускного затвора для разгрузки подается напряжение U2 и происходит переключение муфты в другое состояние, при котором ось стрелки дозатора сцепляется с выходным валом муфты. Поэтому экранный флажок при разгрузке поворачивается вместе со стрелкой дозатора. После закрытия выпускного затвора электромагнитная муфта снова переключается, обеспечивая запоминание положения флажка. При следующем цикле разгрузки экранный флажок будет поворачиваться в том же направлении, следовательно, общий угол поворота флажка соответствует сумме порций выгружаемого материала. При входе одного из лепестков экранного флажка в щель датчика 5 триггер переключается на единицу, затем при входе другого лепестка в щель датчика 6 – сбрасывается на нуль. При этом формируется импульс,

переключающий электромагнитный счетчик на один шаг. Таким образом, угол 120° соответствует весовой единице учета материала. В данном устройстве благодаря использованию двух датчиков и триггера исключаются ложные срабатывания электромагнитного счетчика при колебаниях стрелки весоизмерительной головки. Поэтому выходное напряжение измерительного моста пропорционально произведению скорости движения ленты конвейера на мгновенную массу груза на ленте, т. е. мгновенной производительности конвейера: U ВЫХ = kv K q . 3.4.7. Автоматический контроль расхода материалов на конвейерных лентах Автоматический контроль расхода материала в дозаторах непрерывного действия состоит из интегрирований производительности дозатора в течение определенного времени. При этом производительность дозатора моделируется в виде аналогового напряжения постоянного тока. Интегрирование аналогового напряжения во времени с представлением результата в цифровом виде можно осуществить путем преобразования входного напряжения в пропорциональную частоту (частотно-импульсное преобразование) и суммирования числа импульсов.

Рис. 3.60. Схема автоматического устройства контроля расхода материала в дозаторе непрерывного действия

В устройстве автоматического учета материалов в дозаторе непрерывного действия (рис. 3.60) напряжение Uвх пропорционально производительности дозатора, поступает на вход интегрирующего узла 1. На выходе интегрирующего узла появляется линейно нарастающее напряжение U1. Когда это напряжение достигает значения U0, на выходе сравнивающего узла 2 формируется импульс U2, поступающий через делитель частоты 3 на электромеханический счетчик импульсов 4. Одновременно импульс U2 воздействует на узел обратной связи 5, формирующий импульс U5 со стабильным значением вольт-секундной

площади, который уменьшает выходное напряжение интегрирующего узла на величину интервала дискретности. Поскольку скорость нарастания напряжения U1 пропорциональна входному напряжению Uвх, то частота импульсов U2 линейно связана с производительностью дозатора. Счетчик импульсов дает цифровое значение интеграла производительности дозатора в единицах расхода массы материала, соответствующих значению 2nU0 (где n – число триггерных ячеек делителя частоты). Автоматические конвейерные весы разделяются на весы дискретного и непрерывного действия. Соответственно принципу действия конвейерных весов в них применяются дискретные или непрерывные взвешивающие, суммирующие и интегрирующие механизмы. Интегрирующие механизмы дискретного действия определяют n

суммарную массу G материала как сумму дискретных значений масс å qi t =1 материала, определенных на весовых участках ленты конвейера за каждый цикл Tв взвешивания.

Рис. 3.61. Схемы тензорезисторных конвейерных весов: а– логометрическая; б– компенсационная ; в– тахометрическая

При постоянной скорости ленты конвейера vk получаем n

G = vk Tв å qi . t =1

(3.38)

Время Tв цикла взвешивания включает в себя постоянную времени срабатывания суммирующих и регистрирующих механизмов, а также весового грузоприемного устройства. Интегрирующие механизмы непрерывного действия могут непрерывно определять суммарную массу материала G как интеграл от функции Q(t), характеризующей зависимость производительности конвейера от времени: t2

G = ò Q(t)dt . t1

(3.39)

В этом случае интегрированию предшествует умножение функции q(t), характеризующей изменение погонной нагрузки во времени, и v(t) поскольку Q(t) = q(t)v(t).

(3.40)

Рассмотрим основные схемы конвейерных весов непрерывного действия, построенных на базе упругих элементов с тензорезисторами. В логометрической схеме конвейерных весов рис.3.61 электрический мост весочувствительного элемента питателя напряжением тахогенератора, механически связанного с фрикционным роликом конвейера. Поэтому выходное напряжение измерительного моста пропорционально произведению скорости движения ленты конвейера на мгновенную массу груза на ленте, т.е. мгновенной производительности конвейера: U ВЫХ = kv K q . (3.41) Выходное напряжение моста усиливается электронным усилителем и подается на автоматический запирающий прибор типа компенсатора, содержащий интегратор и записывающий как мгновенную производительность, так и полное количество груза, прошедшее по ленте. Тензометрические конвейерные весы могут работать по компенсационной схеме, приведенной на рис. 3.61, б. В таких весах напряжения U тензорезисторов ТР, пропорциональное погонной нагрузке q, поступает на вход усилителя У, выходное напряжение – по ИД, который перемещает движок множительного потенциометра МП. Благодаря действию обратной связи ОС угол поворота электродвигателя Θ будет пропорционален погонной нагрузке q. Потенциометр питается напряжением тахогенератора ТГ, поэтому выходной сигнал, снимаемый с потенциометра, пропорционален производительности конвейера в данный момент времени. Интегратор

весов И осуществляет непрерывное интегрирование производительности в функции времени, а его счетный механизм дает суммарную массу прошедшего через весы груза нарастающим итогом. В тахометрической схеме весов (рис. 3.61 в) обмотка возбуждения тахогенератора ТГ подключена к выпрямителю, ток в цепи которого пропорционален погонной нагрузке q. Поэтому напряжение тахогенератора UT пропорционально производительности весов Q. Поскольку напряжение тахогенератора используется для питания электродвигателя независимого возбуждения М, приводящего во вращение механизм счетчика, сумма оборотов последнего будет пропорциональна массе прошедшего через весы материала. 3.4.8. Автоматическое взвешивание материалов в железнодорожных вагонах и автомашинах Автоматическое взвешивание материалов в ж е л е з н о д о р о ж н ы х в а г о н а х производится с помощью вагонных весов. Большинство из них позволяет взвешивать вагоны во время их движения со скоростью 5–20 км/ч. Взвешивание одного вагона при указанной скорости занимает 3–12 с. В зависимости от способа взвешивания автоматические вагонные весы разделяются на два типа: а) весы, у которых длина весовой платформы достаточна для установки всего вагона, а индикаторное устройство весов отсчитывает массу вагона сразу; б) весы с короткой весовой платформой, механизм которых основан на принципе поосного взвешивания (по мере прохождения осей или тележек вагона в интегрирующем блоке весов автоматически суммируются отдельные отвесы). Автоматические вагонные весы с длинной весовой платформой оснащены схемой, построенной по принципу уравновешенного моста с автоматической непрерывной балансировкой. Весовая платформа таких весов поддерживается восемью тензометрическими датчиками, которые опираются на короткие стальные колонны. Со шкалой измерительною прибора весов связан при помощи синхронного электродвигателя механизм печатающего аппарата, который дает значения массы с точностью до 45 кг. Точность взвешивания составляет 0,25%, на получение отвеса требуется 3 с. Весы снабжены системой автоматического контроля, основу которого составляет несколько фотоэлементов. На уровне сцепления вагонов вдоль весовой платформы установлены три фотоэлемента. Первый и третий предназначены для обеспечения правильности показаний измерительного

прибора весов. Они не дают возможности печатать значение массы, если вагон перемещается слишком быстро.

Рис. 3.62. Схема вагонных тензометрических весов с дискретной компенсацией

Рассмотрим принцип действия автоматических вагонных весов для поосного взвешивания вагонов. При проходе по короткой весовой платформе первого колеса вагона стрелка регистрирующего прибора начинает перемещаться по шкале. При проходе второго и третьего колес показания прибора последовательно корректируются, а после прохода последнего колеса на ленте печатающего аппарата отпечатывается суммарная масса вагона. Перед началом взвешивания оператор устанавливает цифропечатающий механизм (устройство) в нулевое положение. В тензометрических вагонных весах, предназначенных для взвешивания вагонов различной грузоподъемности, используются две измерительные мостовые схемы: одна подключена к средней длинной платформе, вторая – к двум коротким платформам. Две крайние короткие платформы предназначаются для взвешивания четырехосных вагонов, средняя – для двухосных. Переключение цепей при взвешивании вагонов различной грузоподъемности осуществляется специальной кнопкой, установленной на пульте управления. Автоматические весы, работающие по принципу непрерывного балансирования, имеют постоянную по диапазону погрешность, обусловленную зоной нечувствительности следящего привода. Кроме того, в измерительных системах такого рода время отработки составляет 6 с;

такое же время необходимо для возврата системы в исходное положение после снятия нагрузки. Таким образом, общее время взвешивания составляет 12 с. Существенным недостатком таких систем является также наличие трущихся контактов в реохордах (цепях) измерительного моста. Тензометрические весы, работающие по принципу дискретной компенсации измерительных мостов, не имеют указанных недостатков. Рассмотрим схему весов с дискретной компенсацией (рис 3.62), работающую по принципу поразрядного уравновешивания в двоично – десятичном коде. Измерительный мост весов содержит постоянные резисторы R2, R3 и тензорезисторы R1, R4, сопротивление которых зависит от нагрузки на упругих элементах 1 и 2. Компенсационный мост содержит постоянные резисторы R5–R8 и переменные резисторы R9–R14, сопротивление которых определяется релейно-контактными дешифраторами ДШ-1, ДШ10 и ДШ-100, связанными с выходами триггеров Т1–Т12 трехдекадного двоично-десятичного счетчика импульсов. Поляризованное реле РП, подключенное к выходу фазочувствительного усилителя ФУ, направляет сигналы от генератора импульсов ГИ на суммирующий или вычитающий вход реверсивного счетчика. Автоматическая регистрация массы вагона с материалом, поступившим на весовую платформу 3, производится в цифропечатающем устройстве 4 по сигналу от дифференцирующего элемента ДФ, связанного с выходом фотореле ФР. В исходном состоянии схемы весов измерительный и компенсационный мосты сбалансированы, поэтому нет напряжения в диагоналях а–b и b–с. При этом все триггеры счетчика импульсов находятся в нулевом положении, а сопротивление резисторов R9–R14 полностью выведено. Когда первая пара колес вагона 1 окажется на весовой платформе 3, сопротивление тензорезисторов R2 и R3 увеличивается пропорционально нагрузке, действующей на упругие элементы 1 и 2. В результате этого нарушается баланс измерительного моста, в диагонали которого а–b появляется напряжение рассогласования Up, и фазочувствительный усилитель ФУ включает поляризованное реле РП в режим сложения. Импульсы от генератора ГИ, поступая на суммирующий вход счетчика, устанавливают определенные триггеры на единицу, вследствие чего происходит переключение контактов дешифраторов ДШ-1, ДШ-10, ДШ-100 и соответствующее увеличение сопротивлений резисторов R9– R14. При этом нарушается баланс компенсационного моста, в диагонали которого b–с появляется напряжение UK, уравновешивающее напряжение рассогласования Uр.

В случае равенства напряжений Up и UK реле РП отключается и схема весов будет находиться в устойчивом состоянии, при котором выходные сигналы дешифраторов отображают в десятичном коде массу груза, поступившего на весовую платформу.

Рис. 3.63. Грузоприемное устройство автомобильных тензометрических весов

После того как последняя пара колес вагона 1 накатывается на весовую платформу, появляется сигнал от фотореле ФР и дифференцирующий элемент ДФ выдает командный импульс на регистрацию в цифропечатающем устройстве 4 массы груза, зафиксированной в счетчике импульсов. Для обеспечения высокого быстродействия и надежности весов с дискретной компенсацией дешифраторы единиц ДШ-1, десятков ДШ-10 и сотен ДШ-100 следует выполнять на основе герметизированных магнитоуправляемых контактов (герконов). Автоматическое взвешивание материалов в автомобильном транспорте также производится с помощью тензометрических весов. Грузоприемное устройство автомобильных тензометрических весов (рис. 3.63) состоит из системы перекрестных двутавровых балок. Концы нижних балок 1 и 2 шарнирно соединены с опорами А,Б,В,Г, которые монтируются на фундаменте. Верхние балки шарнирно соединены с нижними в точках I, II, III, IV. При такой конструкции силоизмерительной части сумма изгибающих моментов в средних сечениях нижних балок будет во всех случаях пропорциональна суммарной нагрузке, распределенной по настилу верхних балок. Рабочие датчики наклеены на верхних полках двутавровых нижних балок АБ и ВГ. Компенсационные датчики наклеены на специальных пластинах, укрепленных вблизи мест расположения рабочих датчиков. Два рабочих и два компенсационных датчика соединены по схеме полумоста. Выводные клеммы схемы полумоста соединяются с отсчитывающим устройством весов. Вместе с обмотками трансформатора датчики образуют схему полного измерительного моста. Отсчитывающее устройство

представляет собой тензометрический усилитель с нулевым методом измерений и ручным уравновешиванием. Отсчитывающее устройство питается от автомобильного аккумулятора напряжением 12 В. На панели отсчитывающего устройства установлены: шкала и ручка реохорда, индикатор нуля, ручка установки нуля отсчетного устройства. Весы предназначены для взвешивания автомобилей марок ГАЗ и ЗИЛ, точность взвешивания ± (1 ¸ 1,5)%.

3.5. Автоматизация смесительного оборудования 3.5.1. Классификация смесительных установок и процессов В зависимости от условий поступления сырья (песка, щебня или гравия, цемента и воды) смесители могут быть непрерывного и периодического действия. Основным параметром смесителей непрерывного действия является производительность – выдача готовой смеси в кубических метрах в час, а смесителей периодического действия – объем готового замеса в литрах. В зависимости от условий перемешивания компонентов смесительные установки разделяются на гравитационные и принудительного перемешивания. В гравитационных смесителях происходит перемешивание компонентов смеси при свободном падении во вращающемся барабане, имеющем на внутренней поверхности лопасти. При этом скорость перемещения частиц смеси ограничивается определенными пределами. Качественное перемешивание бетонной смеси можно получить при окружной скорости барабана около 60 м/мин. Смесители принудительного перемешивания работают по принципу противотока; в них используются различного типа смешивающие механизмы (лопастные, роторные и др.), вал которых вращается в направлении, противоположном вращению смесительного сосуда или скребков. В противоточных смесителях частицы материала движутся по сложным траекториям. Благодаря интенсивному перемешиванию обеспечивается высокое качество смеси. Гравитационные смесители периодического действия могут иметь вертикальный смесительный барабан цилиндрической формы, опрокидывающийся барабан грушевидной формы или наклоняющийся двухконусный барабан. Последние получили в настоящее время преимущественное распространение. Загрузка и выгрузка бетоносмесителей с наклоняющимся двухконусным барабаном производятся с одной и той же стороны или с

разных сторон, в зависимости от общей компоновки бетоносмесительной установки. Наклон смесительных барабанов выполняется при помощи механического, гидравлического или пневматического привода. 3.5.2. Автоматическое управление смесительными установками в функции времени Рассмотрим бетоносмесительную установку периодического действия (рис. 3.64), содержащую два поочередно работающих гравитационных смесителя БС1 и БС2. В каждом цикле работы установки выполняются следующие рабочие операции: загрузка компонентов в смеситель, перемешивание компонентов и разгрузка, причем загрузка и разгрузка компонентов происходят при вращающемся барабане смесителя. Барабаны смесителей приводятся во вращение двигателями M1 и М3. Загрузка компонентов в смесители производится с помощью сборной воронки 1. Перекидной шибер М5 направляет материал в один из смесителей. При этом исполнительный механизм М5 включается только при загрузке смесителя БС1. Наклон смесителей для выгрузки бетонной смеси в накопительный бункер 2 обеспечивается механизмами разгрузки М2 и М4. Наиболее просто осуществляется временное управление исполнительными механизмами смесительной установки. Поочередную работу смесителей БС1 и БС2 можно обеспечить путем разделения смежных циклов работы, формируя селектирующий сигнал x=Int(0→1)p, где р – пусковой импульс, определяющий начало цикла работы смесителей. Тогда пуск каждого смесителя БС1 и БС2 осуществляется по совпадениям сигналов px или p x . Алгоритмы формирования командных сигналов управления бетоносмесительной установкой (табл. 3.9) можно записать на основании временной диаграммы (рис. 3.64, б), отображающей последовательность включений исполнительных механизмов.

Рис. 3.64. Бетоносмесительная установка: а – структурная схема программного управления установкой; б – временные диаграммы Таблица 3.9 Алгоритмы формирования командных сигналов управления бетоносмесительной установки Алгоритм формирования КС Наименование механизмов Обозначение исполнительных механизмов Шибер сборной воронки М5 Ext1 ( px ) Двигатель привода барабана БС1 Механизм разгрузки БС1

М1

Ext 2 ( px)

М2

D (0 ® 1)[Ext 2 ( px )] )

Двигатель привода барабана БС2 Механизм разгрузки БС2

М3

Ext 2 ( p x )

М4

D (0 ® 1) Ext 2 ( p x)

[

]

Примечани е. С помощью индексов выделены операции Ext формирования сигналов одинаковой длительности.

3.5.3. Автоматическое управление смесительной установкой с контролем тока двигателя При перемешивании компонентов бетонной смеси ее готовность определяется одинаковой по всему объему пластичностью (подвижностью). Косвенный контроль однородности бетонной смеси можно осуществлять по нагрузке электродвигателя, вращающего лопасти смесителя с принудительным перемешиванием материалов. В этом случае при постоянном напряжении сети окончание процесса перемешивания определяется по стабильности тока, питающего электродвигатель. Для

определения начала стабилизации тока можно сравнивать его мгновенные значения через заданный интервал времени либо измерять значение производной от тока по времени. Рассмотрим устройство контроля тока, работающее по принципу сравнения мгновенных значений (рис. 3.65, a), содержащее интегрирующие элементы ИЭ1, ИЭ2, нуль–орган НО и кольцевой коммутатор, триггеры которого Т1–Т4 последовательно переключаются импульсами тактового генератора ГТ. На входы интегрирующих элементов подается сигнал I от датчика тока ДТ двигателя Ml смесителя. В зависимости от состояния триггеров коммутатора в работе устройства контроля можно выделить четыре такта, длительность которых определяется периодом повторения импульсов генератора ГТ. В первом такте (vl = 1) сигнал I интегрируется элементом ИЭ1, а во втором (v2 =1) – элементом ИЭ2. В третьем такте (v3 = 1) нуль-орган НО сравнивает результаты интегрирования. В четвертом такте (v4 = 1) интегрирующие элементы сбрасываются на нуль. Затем процессы повторяются в такой же очередности. Когда стабилизируется ток двигателя Ml смесителя, результаты интегрирования сигнала 1 в первом и во втором тактах совпадают и нуль-орган НО формирует двоичный сигнал V окончания перемешивания смеси. Управляющее устройство принимает сигнал V только по истечении некоторого времени после начала перемешивания. На основании временных диаграмм (рис. 3.63, б) можно записать алгоритмы формирования командных сигналов М1 включения двигателя смесителя и М2 включения механизма разгрузки:

[

]

M 1 = Int (0 ® 1) p - (1 ® 0)M 2 ;üï (3.42) ý M 2 = Ext V × D (0 ® 1) M1 . ïþ В данном случае осуществляется стартстопное управление двигателем Ml смесителя и временное управление исполнительным механизмом М2 разгрузки. Контроль готовности бетонной смеси можно осуществлять измерением производной по времени от тока электродвигателя с помощью дифференцирующего элемента (рис. 3.66, а). На вход дифференцирующего элемента необходимо подавать сигнал U1, не имеющий пульсаций, обусловленных тем, что электродвигатель Ml питается от сети переменного тока. Для этого помимо сглаживающего фильтра на выходе датчика тока ДТ следует применять компенсационный стабилизатор напряжения с управлением со стороны входа, содержащий регулирующий элемент Р, воспринимающий элемент В и усилитель У. При

[

]

этом воспринимающий элемент должен обладать частотной характеристикой, представленной на рис. 3.66, б). Тогда чувствительность устройства контроля тока будет более высокой при медленных изменениях сигнала I.

Рис. 3.65. Управление бетоносмесителем по нагрузке электродвигателя: а – структурная схема; б – временные диаграммы

Пульсации входного сигнала DI с частотой f = 100 Гц (основная гармоника переменной составляющей тока при двухполупериодном выпрямлении) будут полностью скомпенсированы на выходе стабилизатора при условии

ДI = г1kU1 ,

(3.43)

где г i – коэффициент передачи воспринимающего элемента при f = 100 Гц; k – общий коэффициент передачи усилителя и регулирующего элемента. В конце периода перемешивания компонентов бетонной смеси напряжение U2 становится меньше порога отпускания релейного элемента РЭ, в результате чего он переключается на нуль. При этом снимается сигнал Y и формируется выходной сигнал V устройства контроля тока двигателя смесителя.

g

g 1

Рис. 3.66. Устройство формирования командного сигнала по производной от тока двигателя: а–структурная схема; б–частотная характеристика

3.5.4. Автоматическое регулирование вязкости (подвижности) бетонной смеси В бетоносмесителях принудительного перемешивания для регулирования вязкости бетонной смеси можно использовать зависимость мощности, потребляемой электродвигателем смешивающего механизма, от водоцементпого соотношения: Р =f (В/Ц). Наиболее точное математическое описание экспериментальной зависимости Р =f(B/H) дает кусочно–параболическая аппроксимация, при которой отдельные участки графика (рис. 3.67, б) заменяются параболами вида P = a(x–b)2+c,

(3.44)

где а – коэффициент, зависящий от выбранного участка кривой; b – абсцисса вершины аппроксимирующей параболы; с – ордината вершины аппроксимирующей параболы; х – неизвестное водоцементное соотношение. При высокой точности дозирования компонентов водоцементное соотношение бетонной смеси зависит от влажности заполнителей. Поэтому для регулирования вязкости бетонной смеси необходимо корректировать дозу воды в каждом замесе. Это можно осуществлять, контролируя содержание воды при перемешивании компонентов и определяя требуемую добавку воды для получения заданного водоцементного соотношения.

Рис. 3.67. Автоматическое регулирование технической вязкости бетонной смеси: а – структурная схема устройства регулирования; б – зависимость мощности двигателя смесителя от водоцементного соотношения

Если измерять мощность, потребляемую электродвигателем бетоносмесителя при трех различных значениях водоцементного соотношения, то получается следующая система уравнений: ü ï ï P2 = a(x - b + Д1 )2 + c; ý ï P3 = a(x - b + Д2 )2 + c,ï þ

P1 = a(x - b)2 + c;

(3.45)

где D 1 – изменение водоцементного соотношения в период между первым и вторым измерениями; D 2 – то же в период между первым и третьим измерениями. Чтобы исключить коэффициент с, из второго и третьего равенств системы вычитаем первое:

P2 - P1 = a[2( x - b) + D1 ]D1;

P3 - P1 = a[2( x - b) + D 2 ]D 2 .

(3.46)

Разделив почленно полученные равенства, исключаем коэффициент а:

P2 - P1 [2( x - b) + D1 ]D1 = . P3 - P1 [2( x - b) + D 2 ]D 2 Из этого выражения находим

(3.47)

( P3 - P1 )D21 - ( P2 - P1 )D22 x -b = . 2[( P2 - P1)D 2 - ( P3 - P1 )D1 ] В данном случае изменения водоцементного соотношения обусловлены добавками в бетоносмеситель воды DB1 соответственно. Поэтому, подставив в выражение значения x = В/Ц ; D1 = DВ1 / Ц и D 2 = DВ2 / Ц , после преобразования формулу, определяющую содержание воды в замесе:

(3.48)

D1 и D 2 и DB2 величин получим

( P3 - P1 )DB12 - ( P2 - P1 )DB22 B= + bЦ. 2[( P2 - P1 )DB1 - ( P3 - P1 )DB1 ] Таким образом, измеряя величины Pl, P2, Р3, DB и DB2 , можно 1 контролировать содержание воды в замесе и корректировать ее дозу для получения заданного водоцементного соотношения или вязкости бетонной смеси. Рассмотрим работу системы автоматического регулирования вязкости бетонной смеси (рис. 3.67, а). При работающем двигателе смешивающего механизма МС в бетоносмеситель через загрузочную воронку 1 поступают дозы цемента, песка и щебня. Вода дозируется с помощью водомерного счетчика ВС, электромагнитного вентиля ЭВ и управляющего устройства УУ в соответствии с сигналом задающего устройства ЗУ. Вода подается в смеситель через сливную трубу 2. В начале цикла в смеситель подается некоторая начальная доза воды и компоненты предварительно перемешиваются. Затем по команде программного устройства ПУ в вычислительном устройстве ВУ запоминается значение потребляемой двигателем МС мощности Р1, которая контролируется измерительным устройством ИУ, и увеличивается доза воды на величину DВ1 , что также запоминается в ВУ. Аналогично последовательно во времени фиксируются значения Р2, DВ2 , Р3 и вычисляется содержание воды В в замесе. В результате сравнения величины В с заданным значением 3 в ЗУ определяется необходимая добавка воды DВ3 = 3 - В для получения бетонной смеси с требуемым водоцементным соотношением.

3.6. Некоторые передовые технологии автоматизации (ПТА) на российских бетонных заводах Несмотря на имеющиеся сложности в развитии экономики РФ, нам представляется, что новые передовые технологии автоматизации в строительной индустрии всё же разрабатываются и внедряются. Так, например, в статье [54] освещались передовые технологии автоматизации с 9 по 11 декабря 2003 года в Москве в Центре международной торговли во время выставки «Передовые технологии автоматизации 2003» (ПТА-2003). Рассмотрим некоторые современные разработки, которые используются на бетонных заводах с передовой технологией автоматизации и приведем их кратких технико-экономические характеристик.

Организатором выставки стала выставочная компания «Экспотроника» при официальной поддержке Российского агентства по системам управления, Российской инженерной академии, Управления по атомному машиностроению и приборостроению Минатома РФ, Российского представительства Общества приборостроения, систем и автоматики (ISA), Координационного совета по проблемам стандартизации систем промышленной автоматизации. ПТА-2003 – это ведущая специализированная выставка оборудования и технологий для АСУ ТП и встраиваемых систем. Главной целью выставки является демонстрация передовых технических решений в области промышленной автоматизации, новинок оборудования и программного обеспечения, а также услуг по разработке и внедрению автоматизированных систем. Среди участников ПТА-2003 были крупнейшие российские и зарубежные производители оборудования и программных средств для АСУ ТП, разработчики аппаратуры и комплексных решений автоматизации в различных отраслях промышленности, производственно-внедренческие фирмы, поставщики специализированных компьютеров и промышленной электроники. Одновременно с выставкой в конференц-зале ЦМТ прошла Всероссийская конференция по АСУ ТП и встраиваемым системам. Вниманию слушателей конференции предлагались доклады ведущих

поставщиков оборудования, рассказы о новинках в области программного обеспечения SCADA и MES, о современных инструментальных средствах и методах разработки встраиваемых систем контроля и управления. Датчик динамографа Датчик углового положения и нагрузки стационарный «ДПН-СТ10» предназначен для контроля работы скважины со штанговым глубинным насосом в системах телемеханики (рис. 3.68).

Рис. 3.68 Датчик динамографа

Он служит для сбора данных, используемых при построении динамограммы (зависимости изменения нагрузки от перемещения полированного штока станка-качалки), и устанавливается стационарно на балансире станка-качалки, что не мешает работам по ремонту скважин. Для построения динамограммы датчик выдает два сигнала: - положение штока (значение вертикальной координаты положения); - нагрузка на шток (значение вертикальной составляющей растягивающего усилия, действующего на шток). Достоинства датчика можно свести к следующим характеристикам: - цифровые методы измерения положений и нагрузки; - цифровая коррекция дрейфа чувствительных элементов датчика; - высокая чувствительность измерения; - встроенные алгоритмы обработки данных, позволяющие получить высокую точность измерений; - возможность установки на значительном удалении от контроллера; - легкость установки на станок-качалку; - компактность и отсутствие разъемных и движущихся частей; - устойчивость к перепадам температуры; - низковольтное питание датчика, малая потребляемая мощность.

Использование датчика в системах телемеханики необходимо для определения неисправностей насосного оборудования по форме динамограммы, что позволяет прогнозировать очередность ремонтных и профилактических работ на скважинах, формировать список аварийных скважин, оптимизировать работу скважины в целом. Вычисление дебита по динамограмме с учетом газового фактора позволяет осуществлять текущий контроль продуктивности скважины без замеров дебита прямыми методами. Определение срыва подачи насоса по форме динамограммы разрешает эксплуатировать малодебитные скважины в оптимальном, экономичном режиме с остановками на накопление по срыву подачи. Автоматический расчет фактического суточного дебита скважины с учетом простоев и остановов помогает иметь четкую информацию по потерям в добыче и причинам потерь. Суммирование дебитов и расходов по кустам, бригадам, цехам, промыслам позволяет автоматически контролировать баланс жидкости, а в случае отклонений выдавать аварийные сообщения. Система управления производством Этим же предприятием была разработана интересная система управления производством (рис. 3.69) [24]. Применение в качестве контроллеров с развитыми коммуникационными функциями РСсовместимых индустриальных компьютеров – это простое, экономичное и проверенное решение для автоматизации множества производств, не относящихся к высшим категориям опасности, ПО системы объединяет в себе среду настройки и среду исполнения, что позволяет оперативно вносить изменения как по ходу пусконаладочных работ, так и в течение всего срока службы системы.

Рис. 3.69. Комплект устройств системы управления

Простота, удобство и функциональность – вот основные достоинства, на которых строится предлагаемая АСУ ТП. Задачи, решаемые системой, сводятся к следующим: - измерение технологических параметров; - визуализация процесса с иерархической структурой экранных форм; - сигнализация отклонений технологических параметров посредством визуального и голосового оповещения; - управление технологическим процессом; - архивирование и документирование информации; - информационное обеспечение специалистов; - защита от несанкционированного доступа.

Рис. 3.70. Общий вид сервера ввода-вывода

«Прозрачность» информации внутри предприятия достигается использованием открытых технологий и промышленных стандартов при создании программного обеспечения сбора, обработки, хранения и обмена данными. Полный цикл работ от разработки, поставки и монтажа до пусконаладки и сдачи системы «под ключ» исключает возможность возникновения спорных вопросов между исполнителем и заказчиком по поводу неучтенных в контракте работ, доплат, допоставок и т.д. Центральное звено системы – «сервер ввода-вывода» (рис. 3.70) [24]. Функции «сервера» выполняют один или несколько индустриальных компьютеров в стоечном исполнении, смонтированных непосредственно в операторной или щитовой (например, насосной станции) и предназначенных для непрерывной эксплуатации в промышленных условиях, т.е. в широком диапазоне температур окружающей среды, при наличии пыли, вибраций и электромагнитных помех. Вся информация о состоянии технологического оборудования, сигналы от всех датчиков или вторичных (нормирующих) преобразователей подключаются либо напря-

мую к компьютеру ввода-вывода, либо через сеть распределенных контроллеров.

Технические характеристики Наименование параметра Количество контролируемых шлейфов сигнализации (информационная емкость), шт. Диапазон рабочих токов ШС, мА Максимальная скорость обмена по последовательному интерфейсу RS–485 ModBus RTU, кбит/с Диапазон напряжений питания, В Максимальная мощность потребления, Вт Степень защиты от внешних воздействий по ГОСТ 14254, обеспечиваемая оболочкой сигнализатора в зависимости от исполнений: - МС-АП-01-1Р - МС-АП-01-ВЗ - МС-АП-01-TS - МС-АП-01-00 Габаритные размеры в зависимости от исполнения, не более, мм: - МС-АП-01-00 - МС-АП-01-1Р - МС-АП-01-TS - МС-АП-01-ВЗ

Масса в зависимости от исполнения, не более, кг: - МС-АП-01-00 - МС-АП-01-1Р - МС-АП-01-TS - МС-АП-01-ВЗ Рабочий диапазон температур, о С

Значение 4 От 0 до 60 115,2 От 18 до 36 8

IP 67 IP 66 IP 20 IP 00

100 x 110 x 351 175 x 180 x 85 75 х 105 х 50 300 х 250 х 70 0,2 1,0 0,5 3,0 От –20 до +60

В компьютер устанавливается необходимое количество плат вводавывода унифицированных сигналов, соединенных с терминальными модулями, которые распределены по монтажным панелям в соседних стойках. Компьютеры оснащаются гальванически развязанным интерфейсом промышленной сети Ethernet. С помощью этой сети реализуется общее пространство обмена данными между компьютерами системы. Физической средой передачи данных может быть витая двухпроводная или волоконнооптическая линия связи. Визуализация технологического процесса в удобном, интуитивно понятном графическом виде осуществляется на рабочих станциях операторов – промышленных компьютерах в настольном исполнении. Удаленные пользователи корпоративной сети могут просматривать мнемосхемы с оперативной технологической информацией посредством обычного Internet Explorer. Программное обеспечение системы следующее: · основой для написания служит специализированная среда разработки программного обеспечения АСУ ТП-SCADA-пакет GENESIS32; · ОРС серверы – драйверы устройств, поддерживающие интерфейс OLE for Process Control, служат мостом между аппаратным обеспечением вводавывода и любой современной SCADA-системой. Адресуемый пожарный многоканальный сигнализатор МС-АП-01 Многоканальный адресуемый пожарный сигнализатор [54] предназначен для приема сигналов пожарных извещателей (ПИ), их адресации и передачи информации по последовательному интерфейсу в составе технических средств пожарной и охранно-пожарной сигнализации, аппаратуры автоматических систем пожаротушения типа АСПТ «ЭлеСи» и другого аналогичного оборудования.

Рис. 3.71. Общий вид многоканального сигнализатора МС-АП-01

Сигнализатор может быть выполнен как в обычном исполнении, так и в корпусе со степенью защиты IP67, со взрывозащитной вида «Взрывонепроницаемая оболочка» и в корпусе с установкой на монтажный рельс DIN35. Все исполнения сигнализатора, выполненные по одной электрической схеме, обеспечивают одинаковый набор функций и различаются конструкцией корпуса. Сигнализатор имеет возможность работы со шлейфом сигнализации (ШС) с нормально разомкнутым (NO) и нормально замкнутым (NC) состоянием пожарных извещателей в дежурном режиме. Сигнализатор имеет сертификат соответствия требованиям пожарной безопасности, свидетельства о взрывозащищенности Госэнергонадзора и разрешение на применение Госгортехнадзора РФ.

Рис. 3.72. Программный комплекс Allplan

В работе [54] предлагается современный программный комплекс Allplan рис. 3.72 для профессиональных проектировщиков, руководителей строительных организаций, производителей материалов, разработчиков новых строительных технологий с целью комплексной автоматизации проектно-строительных работ. Идея, заложенная в разработках компании Nemetschek AG, заключается в обеспечении документированного сопровождения объекта строительства на всех этапах его жизненного цикла – от замысла до утилизации (рис. 3.73) и в создании виртуальной модели объекта строительства. Из виртуальной модели может быть получена информация самого разного назначения – от количества материала и объема работ до

физических характеристик и геометрии элементов. Одной из отличительных особенностей ПО Nemetschek AG является использование интеллектуальных элементов, «знающих» про себя, из какого материала они сделаны, какой у них приоритет, позиция, как они взаимодействуют с другими элементами и пр.; другой – тесный постоянный контакт разработчиков ПО Nemetschek AG с его пользователями – профессиональными проектировщиками, строителями, производителями строительных и отделочных материалов и разработчиками строительных технологий, что позволяет быстро адаптироваться под изменяющиеся требования строительного рынка.

Рис. 3.73. Система автоматизации проектных работ Allplan

Основой системы автоматизации проектных работ является программный комплекс Allplan, состоящий из интегрированных модулей, различающихся областями применения, решаемыми с их помощью задачами и типами проектной документации, для выполнения которых они предназначены. Области применения можно сгруппировать так: Проектирование – выпуск проектной документации, оформленной в полном соответствии с требованиями российских систем конструкторской и проектной документации, учет физических и эксплуатационных характеристик материалов, изделий и оборудования. Поставщики-производители – использование строительных и отделочных материалов, оборудования и технологий в проекте. Производство – передача данных для изготовления арматурных и строительных изделий в виде чертежей и управляющих программ для станков с ЧПУ. Строительство – подготовка данных для программ календарного планирования, выпуск рабочей документации, поддержка современных технологий строительства. Эксплуатация – автоматическое формирование списков помещений и имеющихся в них материальных средств, инвентаризация помещений,

определение расходов на содержание объекта строительства, связь с внешними базами данных. Преимущество использования системы Allplan Удобный интерфейс. Проектировщику предоставляется широкий выбор профессиональных инструментов, легкость их вызова, использование инновационной техники работы – палитры элементов, соблюдение технологии строительства. Качественное черчение. Работая в модуле черчения, проектировщик использует профессиональные чертежные инструменты для отрисовки линий, многоугольников, окружностей, кривых, в том числе описываемых формулой и т.д. Используя уникальную технику 3D эскиза, проектировщик может быстро создать концептуальную модель объекта строительства, рассчитать его стоимость и прибыльность. В работе [99] рассматриваются достоинства, перспективы развития и пути решения проблем монтажа вентилируемых фасадов, доложенные на заседании научно-технического совета КАСРиРГ. В последнее время в Москве большое распространение получили навесные фасадные системы с вентилируемым воздушным зазором, применяемые как в новом строительстве, так и при реконструкции старых зданий. Эти системы представляют собой сложную конструкцию, включающую в себя теплоизоляционный материал, воздушную прослойку и наружный облицовочный, декоративный материал, при этом вся конструкция монтируется с использованием металлических элементов непосредственно на фасаде здания. Освоение сложной конструкции при отделке фасадов в практике московского строительства началось около 10 лет назад. Первыми на российском строительном рынке появились вентилируемые фасады с навесными керамогранитными плитами. Позднее появились системы, в которых в качестве элементов декоративного экрана использовались пластмассовые панели, облицованные с обеих сторон алюминиевой фольгой. В качестве облицовочных материалов применяются самые разнообразные материалы, и этот список постоянно расширяется: цементно-волокнистые материалы, стекла со специальными покрытиями, бумажно-слоистый пластик высокого давления и т.д.

Рис. 3.74. Пример дома с навесными фасадами, с использованием облицовочных панелей

Однако указанные выше системы обладают и рядом недостатков, так как почти всегда изготавливаются на месте, требуют большого объема ручной обработки, поэтому сделать качественно все работы по подгонке системы в условиях стройплощадки практически не возможно. К тому же эти системы нельзя отнести к категории дешевых и пожаростойких. Выгодно отличаются от упомянутых систем [99] навесные фасады с использованием в качестве облицовочного материала панели из алюминиевого, предварительно окрашенного листа (рис. 3.74 и 3.75).

Рис. 3.75. Пример дома с навесными фасадами, с использованием облицовочных панелей

На сегодняшний день, являясь наиболее прогрессивной технологией, вентилируемые фасады позволяют решать одновременно несколько задач: - утепление зданий при любых поверхностях несущих и самонесущих стен, выполненных из различных материалов (бетон, кирпич, штукатурка);

- отделка фасадов различными облицовочными материалами с разнообразной фактурой и цветовой гаммой. Применение этой технологии позволяет разнообразить фасады и дает широкие возможности для повышения архитектурной выразительности зданий. Особо нужно отметить, как положительный фактор, улучшение теплотехнических параметров стен эксплуатируемых зданий. Наружное расположение дополнительной теплоизоляции хорошо защищает стены от попеременного замораживания и оттаивания в весеннее-зимний и осеннезимний периоды. При указанном расположении утеплителя достигаются высокие тепло- и звукоизоляционные характеристики зданий, выравниваются температурные колебания в бетонном массиве стены, что позволяет избежать значительных деформаций, при этом деформационные швы работают в минимальном диапазоне и вся конструкция здания функционирует в оптимальном режиме. Зона конденсации паров в стенах сдвигается в сторону наружной теплоизоляции, которая граничит с вентилируемой воздушной прослойкой, что препятствует накоплению излишней влаги в теплоизоляционном слое. При этом стены зданий и теплоизоляция защищены от атмосферных воздействий декоративным экраном из облицовочных плит. Проведение работ по устройству вентилируемых фасадов возможно практически в любое время года, так как исключены «мокрые процессы». Это является неоспоримым преимуществом навесных фасадов. Важным положительным фактором устройства таких фасадов является отсутствие специальных требований к геометрическим параметрам несущих стен. Их не требуется специально выравнивать перед монтажом навесных конструкций, неровности стеновых поверхностей компенсируются за счет привязки по месту фасада подконструкций системы. Так же нивелируются термические деформации на фасаде здания. Важнейшим положительным фактором использования навесных вентилируемых фасадов является длительный срок их безремонтной эксплуатации (25 лет и более, в зависимости от применяемых материалов), а также возможность замены старых облицовочных материалов конструкции на новые при сохранении самой металлической подконструкции и утеплителя. Все эти перечисленные факторы указанной системы фасадов позволяют отнести ее к разряду наиболее прогрессивных прорывов в области строительных технологий отделки фасадов зданий. В статье [20] рассказывается об АСУ ТП производства технологических бетонных смесей и товарного бетона на Тушинском заводе железобетонных конструкций ОАО ДСК-1 г. Москвы. Рассмотрены задачи конкретного проекта, включая реконструкцию технологического

оборудования. Описаны функции и характеристики системы управления, а также особенности архитектуры её аппаратно–программного комплекса. Группа компаний «Элтикон» работает на рынке автоматизации с 1991 года и имеет на своём счету около 200 введённых в эксплуатацию автоматизированных систем управления технологическими процессами (АСУ ТП). Заказчиками «Элтикона» являются предприятия строительной индустрии и перерабатывающей промышленности в 78 городах России, Белоруссии, Казахстана. В связи с многообразием решаемых задач автоматизации возник вопрос о такой архитектуре аппаратнопрограммных комплексов, которая была бы одинаково оправданна для АСУ ТП различной программно-алгоритмической сложности и различной информационной емкости – от нескольких десятков до нескольких тысяч входных и выходных сигналов. Для успешного решения этого вопроса, как оказалось, требуется: · минимальное количество уровней непосредственного цифрового управления (НЦУ), то есть отсутствие промежуточных узловых контроллеров в контуре НЦУ и минимальное количество вычислительных устройств (контроллеров) НЦУ вплоть до одного в системе без резервирования или до двух в системе с резервированием; · возможность применения для НЦУ вычислительных устройств с различными ресурсами и от разных фирм-производителей без изменения среды разработки программного обеспечения (ПО); программируемые логические контроллеры (ПЛК) для этого подходят плохо, альтернатива – компьютеры и процессорные платы, совместимые с IBM PC по операционным системам; · распределённые устройства связи с объектом (УСО), поддерживающие единый протокол обмена данными с вычислительными устройствами НЦУ в реальном масштабе времени; · произвольная и гибкая компоновка УСО без перенастройки системы и ПО, простота объединения УСО в сеть с вычислительными устройствами НЦУ; · одинаковая среда разработки ПО супервизорного (диспетчерского) управления для задач и вычислительных систем различной сложности – от простой задачи для небольшой технологической линии с одним компьютером диспетчерского управления до пакета задач, например, для целого завода с вычислительным комплексом многоуровневого супервизорного управления технологическим процессом, планирования и подготовки производства, автоматизированной разработки и оптимизации технологических карт, ведения архива (базы данных) технологического процесса и т.д. Сформулированные требования вкратце отражают суть сложившегося де-факто подхода группы компаний «Элтикон» к построению аппаратно-

программных комплексов АСУ ТП. Более или менее полная реализация этого подхода сдерживалась до некоторых пор отсутствием необходимых УСО и стала возможной только в 2001 году с началом производства модулей серии СА «Композит». Сейчас аппаратно-программные комплексы всех АСУ ТП группы компаний «Элтикон» имеют весьма простую архитектуру, особенно в части НЦУ: для каждого неделимого технологического участка (цеха, технологической линии и т.д.) имеется конструктивно обособленное, резервируемое или нерезервируемое вычислительное устройство управления технологическим процессом и распределённые УСО, поддерживающие прямой обмен данными с вычислительным устройством НЦУ в реальном масштабе времени. Вычислительные устройства НЦУ традиционно комплектуются процессорными платами фирм Octagon Systems и Fastwel, а УСО – модулями серии СА «Композит» производства группы компаний «Элтикон». Что же касается супервизорного (диспетчерского) управления, то оно может быть одно-, двух- или трёхуровневым в зависимости от иерархии привносимых в АСУ ТП организационно-управляющих функций. В качестве вычислительных устройств на всех уровнях супервизорного управления чаше всего применяются компьютеры производства фирмы Advantech. Переход на описанную архитектуру аппаратно-программных комплексов качественно изменил технологию создания систем управления: аппаратные средства проектируются (по блочно-модульному принципу), изготавливаются, тестируются и монтируются на объектах в темпе «отлаженного конвейера», и, что самое главное, эта технологическая цепочка работает независимо и пересекается с собственно системным проектированием и разработкой ПО только на этапах согласования схемы автоматизации и ввода АСУ ТП в эксплуатацию. Иными словами, для системных проектировщиков и программистов аппаратные средства существуют как некий «абстрактный фон», описываемый не более чем списком входных и выходных сигналов, без учёта того, как скомпонованы аппаратные средства и в каком узле сети находится модуль ввода или вывода того или иного сигнала; список объявляется в драйвере вводавывода сигналов вычислительного устройства НЦУ, чем, собственно, и ограничивается объединение аппаратной и программной частей проекта АСУТП.

Описанная архитектура апробирована в десятках систем управления. Она же реализована и в системе, о которой идёт речь далее. На Тушинском заводе железобетонных конструкций ОАО ДСК–1 г. Москвы более двух лет работает АСУ ТП производства технологических бетонных смесей и товарного бетона. В состав оборудования БСЦ входят: · шестнадцать расходных бункеров инертных компонентов; · десять расходных бункеров цемента и сухих добавок; · семь расходных ёмкостей жидких компонентов; · двадцать три весовых дозатора (рис. 3.76); · семь бетоносмесителей; · транспортирующее оборудование отгрузки бетонных смесей в цех формовки конструкций и товарного бетона на автотранспорт; · система воздухоподготовки и аэрации цемента в расходных бункерах.

Рис. 3.76. Дозаторное отделение бетоносмесительного цеха

В процессе реализации проекта выполнены также реконструкция и переоснащение БСЦ: · изготовлены и смонтированы новые дозаторы жидких и сухих добавок; · смонтирована система аэрации цемента; · дозаторы цемента оборудованы современными шнековыми питателями; · дозаторы жидких фракций оборудованы надёжными клапанами; · расходные бункеры сыпучих компонентов и грузоприёмные устройства дозаторов оборудованы пневмомолотками; · все дозаторы переведены на тензометрические системы взвешивания; · дозаторы песочных фракций оборудованы влагомерами;

· расходные бункеры и баки оборудованы датчиками критических уровней; · расходные баки воды оборудованы датчиками температуры (это позволяет осуществлять контролируемый нагрев воды). В результате внедрения АСУ ТП решены следующие наиболее важные для заказчика задачи: · одновременно с автоматизацией выполнена существенная реконструкция технологического оборудования и усовершенствована технологическая схема, что позволило повысить надёжность и точность функционирования оборудования, расширить номенклатуру выпускаемых смесей; · повышено качество управления технологическим процессом за счёт оснащения оборудования цеха современными датчиками и контрольно–измерительными приборами; · введена в эксплуатацию система управления, подтверждающая заявленные характеристики надёжности (взамен предшествующей системы на базе офисного компьютера десятилетней давности и периферийных устройств кустарного производства); · достигнута предельная производительность цеха за счёт высокой степени автоматизации и конвейеризации технологического процесса; · достигнута необходимая точность дозирования компонентов смесей для 100% замесов, что особенно важно при формовке конструкций больших объёмов, так как из-за брака в одном замесе бракуется конструкция целиком; · исключены вмешательства в технологический процесс в режиме прямого ручного управления исполнительными механизмами (ручные пульты отсутствуют в системе принципиально); любые предусмотренные вмешательства, включая коррекции компонентного состава смесей «на ходу», осуществляются по директивам оператора в автоматическом режиме и регистрируются в архиве; · улучшены условия труда практически всех работников цеха (это стало следствием «цепной реакции»: автоматизация – одновременная реконструкция – полученный в результате автоматизации и реконструкции новый качественный уровень производства – усовершенствование методов организации и планирования производства – «наведение красот потому, что иначе уже нельзя» с выполнением, как минимум, косметического ремонта операторского и производственных помещений и т.д.). Основные характеристики описываемой системы управления, получившей название «Бетон-IPC/096», приведены в табл. 3.10. Структурная схема комплекса вычислительных средств АСУ ТП показана на рис. 3.77.

Таблица 3.10 Основные характеристики системы управления «Бетон-IPC/096» Количество автоматизированных рабочих мест (начальника цеха, технолога) Количество операторских станций супервизорного управления Количество вычислительных устройств непосредственного цифрового управления (по количеству линий) Количество весоизмерительных каналов Количество прочих измерительных каналов Количество каналов ввода дискретных сигналов Количество каналов вывода дискретных сигналов управления Погрешность взвешивания материалов, не более Погрешность измерения влажности материалов, не более Погрешность измерения температуры, не более Погрешность измерения силы переменного тока асинхронных двигателей, не более Погрешность дозирования компонентов смесей во всех случаях, не более Количество образцов в банке рецептов Количество наименований компонентов в одном рецепте Задаваемый порядок загрузки компонентов в смеситель Количество одновременно обслуживаемых заказов Управление потоком заказов Вмешательство в техпроцесс по инициативе оператора Вмешательство в техпроцесс в нештатных и аварийных ситуациях Глубина архива базы данных техпроцесса Режим работы Температура окружающего воздуха при эксплуатации (для оборудования в производственных помещениях) Расчетный срок службы, не менее

1 2 4 23 36 312 288 0,05% от наибольшего предела дозирования 0,5% абс. 1оС 1% от предельного значения 1% До 500 До 15 Произвольный До 8 Директивное* Директивное* Директивное* 20 000 заказов Непрерывный -25…+60оС 20 лет

* – с последующим автоматическим исполнением директивы.

Уровни планирования и оперативного управления техпроцессом Операторская станция 1

Операторская станция 2

АРМ начальника цеха (сервер АСУ ТП)

Общезаводская сеть

Ethernet TCP/IP

Коммутатор

ВУ НЦУ линии 1 TSI-1

ВУ НЦУ линии 2 TSI-2

Уровни автоматического управления техпроцессом

ВУ НЦУ линии 3 TSI-3

ВУ НЦУ линии 4 TSI-4

Рис. 3.77. Структурная схема комплекса вычислительных средств АСУ ТП: ВУ НЦУ – вычислительные устройства непосредственного цифрового управления

Для наиболее оперативных вмешательств в кадре предусмотрены кнопки с действием «в одно нажатие». Для других вмешательств и ведения диалога с системой управления в кадре имеется около 50 вызываемых окон. Всего в четырёх кадрах визуализации – более 150 диалоговых окон. Однако, несмотря на высокую функциональную насыщенность ЧМИ, всем цехом легко управляет один оператор (рис. 3.78).

Рис. 3.78. Рабочее место оператора системы

Аппаратные средства непосредственного управления технологическим процессом Конфигурация аппаратно-программных средств в описываемом проекте во многом продиктована наличием четырёх независимо работающих технологических линий. Так, если средства верхних уровней управления являются общими для четырёх линий (поскольку в системе общая база данных, технологическим процессом управляет один оператор и т.д.), то аппаратные средства, а заодно и управляющие программы нижних уровней разделены между линиями. Основной резон в таком разделении – возможность независимого останова линий для выполнения регламентного обслуживания технологического оборудования. На рис. 3.79 приведена фактически типовая схема построения аппаратных средств НЦУ для неделимого технологического участка, в данном случае – для одной линии. Как видно, вычислительное устройство НЦУ является отдельным узлом сети. Оно конструктивно обособлено и содержит блок питания, монтажный каркас, процессорную плату, сетевую плату Ethernet для обмена данными с верхними уровнями управления и преобразователь интерфейсов RS-232/TSI для обмена данными с модулями удалённого ввода-вывода сигналов.

Рис. 3.79. Схема построения аппаратных средств НЦУ для одной технологической линии

Один из вариантов конструктивного исполнения УСО показан на рис. 3.80. Основой для объединения устройств нижних уровней управления в сеть является Transparent serial interface (TSI) – интерфейс, разработанный в группе компаний «Элтикон». TSI – это полевой интерфейс, реализующий функции канала последовательной передачи данных. Назначение TSI – объединение удалённых устройств в многоточечную сеть для осуществления обмена данными в полудуплексном режиме через их последовательные порты RS– 232 или иные порты, имеющие раздельные линии RxD (принимаемые асинхронные данные) и TxD (передаваемые асинхронные данные). Технические требования к TSI распространяются на каналообразующую аппаратуру и линию связи, но не оговаривают протокол обмена и методы доступа к линии связи.

Рис. 3.80. Шкаф с УСО в смесительном отделении линии № 3

Представленный проект отличается большим объёмом подготовительных, монтажных и пусконаладочных работ на объекте, особенно если учесть, что заказчик «взял на себя повышенные обязательства», изготовив новые грузоприёмные устройства дозаторов цемента и инертных компонентов. Тем не менее все работы на объекте выполнены всего лишь за шесть месяцев и без остановки производства. Точнее говоря, каждая из технологических линий останавливалась на три дня (пятницу, субботу, воскресенье).

3.6.1. Микроволновой метод управления вязкостью (подвижностью) бетонной смеси Измерение влажности при помощи высокочастотной емкостной измерительной электроники Измерительная электроника обеспечивает большую разрешающую способность и в связи с этим имеет высокую точность измерения влажных материалов всех видов, например при производстве бетона. Существенная выгода при этом обусловлена линейностью выходных сигналов высокочастотных измерительных сенсоров от влажности песка, не требующей высокозатратного программного обеспечения и дорогостоящего оборудования. Смесительная зона располагается под дозаторным помещением. Из дозаторов отмеренные дозы цемента, воды, мелкого и крупного заполнителей, а также при необходимости и добавки, передаются в бетоносмесители. При перемешивании компонентов бетонной смеси преследуется цель получения однородной по свойствам и составу массы, которая после затвердевания гарантировала бы одинаковые свойства бетона в конструкции. Это достигается многократным перемещением частиц по сложным, постоянно пересекающимся траекториям в растворомешалках и бетоносмесителях. По методам приготовления смеси смесители, как и дозаторы, классифицируют на циклические апериодического действия. Исходя из способов перемешивания и конструктивных особенностей их подразделяют на барабанные (гравитационные), тарельчатые и лотковые. Наиболее широко применяются циклические смесители – гравитационного и принудительного действия. Гравитационное перемешивание используют при приготовлении пластичных бетонных смесей с крупным заполнителем из плотных горных пород. Материалы перемешиваются во вращающихся барабанах, имеющих на внутренних стенках корытообразные лопасти, расположенные по винтовой линии. При вращении бетоносмесителя лопасти захватывают и поднимают вверх часть перемешиваемых материалов. Достигая определенного наклона, лопасти непрерывно сбрасывают их вниз и тем самым вызывают взаимное перемешивание частиц в результате различной крупности. Отечественная промышленность выпускает гравитационные смесители СБ с опрокидными барабанами грушевидной и двухконусной формы и объемом готового замеса 65–2000 л. Загрузка материала в грушевидный смеситель и разгрузка смеси из него осуществляется через одно загрузочно-разгрузочное отверстие, в двухконусном – через два с

противоположных торцов. Небольшие по массе барабаны опрокидываются с помощью ручного механизма, большие – гидравлическими или пневматическими устройствами. Производительность смесителей периодического действия, м3/ч, определяется по формуле Q=60.V/T , (3.49) где Q – производительность смесителя периодического действия, м3/ч; V – объем готового замеса, м3; T – цикл приготовления бетонной смеси, мин. Цикл приготовления определяется временем на загрузку, перемешивание, разгрузку и возвращение смесителя в исходное положение. Благодаря очень высокой скорости вычисления в 100 MELOPS (Million Floating Point Operations per Second) он позволяет получать сигналы измерения через систему управления почти в режиме реального времени и в любой момент времени. Этот модуль обеспечивает очень хорошую фильтрацию сигналов, к нему возможно подключать 2 микроволновых зонда измерения влажности и 2 температурных датчика. Параметризация выполняется программным обеспечением, совместимым с Windows. Микроволновые зонды могут использоваться и в лабораториях для контроля качества. При этом следует отметить, что микроволновое измерение в настоящее время является высочайшим достижением техники в области измерения влажности. Этот метод утвердился на рынке. Известные производители машин и линий по всему миру используют эти системы. При этом необходимо постоянно помнить, что в бетонной промышленности обрабатываются природные материалы, обладающие специфическими качествами и требующие особых условий обработки. Значит, техника не может стоять на месте. Будут разрабатываться новые специальные зонды, которые будут давать данные не только по влажности, но и по свойствам к структуре материала. Краткая характеристика микроволновой технологии. Микроволны – это электромагнитные волны в диапазоне от 300 МГц до 30 ГГц. Измерительные датчики работают, как правило, в диапазоне 433,92 МГц или 2,45 ГГц. В основе микроволнового метода измерения влажности лежит принцип высокой диэлектрической постоянной воды, обуславливающей ее высокую селективность по этому параметру от других материалов. Диэлектрическая постоянная воды определяется величиной SR=80, что существенно больше диэлектрической постоянной других материалов, для которых значения SR составляет лишь SR=3–8. т.е. эти величина отличается в 10¸27 раз. Это и обуславливает высокую

чувствительности определения влажности в компонентах заполнителей смеси и бетонной смеси в смесителе в целом.

3.7. Автоматизация процессов формования и уплотнения 3.7.1. Классификация установок и процессов формования и уплотнения При изготовлении железобетонных изделий бетонная смесь уплотняется и изделиям придается определенная геометрическая форма. Такие процессы выполняются с помощью формовочного оборудования. При этом основными способами уплотнения бетонной смеси являются вибрирование, центрифугирование и прессование. Последний способ получил распространение при изготовлении короткомерных труб малых и средних диаметров. Для уплотнения бетонной смеси и формования изделий вибрированием используют вибраторы, виброплощадки, а также формовочные машины и установки с вибрационными механизмами. Режим виброуплотнения характеризуется амплитудой и частотой колебаний, продолжительностью вибрирования. На уплотнение бетонной смеси влияет направление колебаний и способ их передачи от источника вибрирования. Уплотнение бетонной смеси центрифугированием применяют при изготовлении длинномерных, симметричных относительно продольной оси изделий, например труб. Основным формовочным оборудованием являются центрифуги, работающие по отстойному способу. В этом случае бетонная смесь уплотняется при вращении формы на заданных скоростях. Затем скорость центрифуги снижается, она останавливается, и отжатая вода (шлам) сливается из формы. Установки для прессования бетона устроены так, что через вертикально стоящую или медленно вращающуюся форму, которая сверху заполняется бетонной смесью, проходит вращающийся шток с прессующими насадками. Различают вертикальное и горизонтальное прессования. Станки, работающие по принципу вертикального прессования, могут обеспечивать послойное прессование бетона в теле трубы или одновременное формование всего тела трубы. Станки для послойного прессования бетонной смеси делятся на радиальные и осевые. В станках радиального прессования бетонная смесь прижимается усилиями, направленными перпендикулярно к внутренним стенкам формы. В станках осевого прессования каждый последний слой бетона прижимается к предыдущему усилиями, направленными по вертикали. Транспортируется бетонная смесь от места ее разгрузки к формовочному посту и укладывается в форму бетонораздатчиками или

бетоноукладчиками. Бетонораздатчики выдают бетонную смесь из бункера в форму без разравнивания, а бетоноукладчики не только выдают бетонную смесь, но и разравнивают ее. 3.7.2. Автоматическое управление установкой для центрифугирования труб Основным технологическим оборудованием формовочного поста при центрифугированном способе уплотнения бетонной смеси является центрифуга (роликовая, осевая или ременная) и ложковый питатель (рис. 3.81 ). С помощью ложки питателя 2 порция бетонной смеси загружается в медленно вращающуюся форму 4. Затем скорость центрифуги увеличивается. При этом процесс уплотнения бетонной смеси состоит из двух этапов: предварительного и окончательного. При автоматическом управлении установкой для центрифугирования труб выполняются рабочие операции, указанные в табл. 3.11. Таблица 3.11 Характеристика рабочих операций при центрифугированном формовании труб № Рабочая операция п/п 1 Перемещение питателя вперед 2 Загрузка бетонной смеси в форму 3 Разгон формы до загрузочной скорости 4 Перемещение питателя назад 5 Предварительное уплотнение бетонной смеси 6 Переходный режим 7

Окончательное уплотнение бетонной смеси

Начало операции

(0 ® 1) p

Конец операции

(0 ® 1) s1 В функции времени

(0 ® 1) s1 При окончании операций 2 и 3 При окончании операции 5 При окончании операции 6

В функции времени (0 ® 1) s1 В функции времени В функции времени

Автоматизированная установка для центрифугирования труб работает следующим образом. После установки формы с арматурой 4 на центрифуге и заполнения бетонной смесью ложки питателя 2 подается пусковой импульс р. При этом включается двигатель МП, и тележка 1 питателя перемещается вперед. Когда ложка питателя достигает опоры 3, т. е. займет рабочее положение, появляется сигнал s1 путевого выключателя ВП1, на который воздействует тележка 1. В этом случае двигатель МП отключается, одновременно включаются механизм загрузки МЗ и двигатель центрифуги МЦ, работающий в режиме минимальной скорости. В течение определенного интервала времени происходит загрузка во вращающуюся форму порции бетонной смеси и ее распределение.

После окончания загрузки двигатель МП включается в направлении назад и тележка питателя перемещается в исходное положение до срабатывания путевого выключателя ВП2, по сигналу s2 которого двигатель МП отключается. Одновременно с перемещением тележки питателя двигатель МЦ переключается в режим средней скорости. При этом в течение определенного интервала времени происходит предварительное уплотнение бетонной смеси. После предварительного уплотнения двигатель МЦ переключается в режим переходной, а затем в режим максимальной скорости, при которой бетонная смесь окончательно уплотняется. По истечении интервала времени, необходимого для окончательного уплотнения, цикл формования заканчивается. При автоматическом управлении двигателем привода центрифуги регулирование скорости осуществляется по системе «генератор – двигатель» или с использованием тиристорного преобразователя. На основании анализа зависимости интервалов включения исполнительных механизмов от сигналов пускового элемента и путевых выключателей, а также регламентированной во времени последовательности включений можно записать алгоритмы формирования командных сигналов автоматического управления установкой для центрифугирования труб (табл. 3.12).

Рис. 3.81. Структурная схема автоматического управления установкой для центрифугирования труб

Таблица 3.12 Алгоритмы формирования командных сигналов при центрифугированном формовании труб Циклограмма включения исполнительных механизмов

Исполнительный механизм Двигатель перемещения питателя Механизм загрузки Двигатель привода цинтрифуги

Двигатель перемещения питателя

Обозначение ИМ

Алгоритм формирования КС

МП(вперед)

Int[(0 ® 1) p - (0 ® 1) s1 ]

МЗ

V23 = s1 × D (0 ® 1) s1

МЦ(минимальна я скорость) МЦ(средняя скорость) МЦ(переходная скорость) МЦ(максимальн ая скорость) МЦ(назад)

V5 = V23 × D (0 ® 1)V23 V6 = V5 × D (0 ® 1)V5 V7 = V6 × D(0 ® 1)V6 V5 s2

Примечание. Цифры на циклограмме соответствуют рабочим операциям, указанным в табл. 3.11.

3.7.3. Автоматическое управление установкой для радиального прессования труб В установку для радиального прессования труб (рис. 3.82) входят поворотный стол 3 с электромагнитными фиксаторами 1 и 2, на который ставится форма 4, бункер 5 со шнековым питателем, роликовая головка 8 и траверса 6, которая перемещается с помощью гидроцилиндра 9 по направляющим 7 в вертикальной плоскости. Из исходного положения А форма 4 перемещается вместе с поворотным столом 3 в рабочее положение В, и роликовая головка 8 опускается до нижнего торца формы. Бетонная смесь из бункера 5 подается в форму шнековым питателем и уплотняется роликовой головкой при движении ее до верхнего торца формы. При автоматическом управлении установкой для радиального прессования труб выполняются рабочие операции, указанные в табл. 3.13.

Рис. 3.82. Структурная схема автоматического управления станком для радиального прессования труб Таблица 3.13 Характеристика рабочих операций при радиальном прессовании труб № Рабочая операция п/п 1 Освобождение фиксатора 2 поворотного стола 2 Поворот стола вперед 3 Опускание траверсы с роликовой головкой 4 Загрузка бетонной смеси в форму 5 Прессование бетонной смеси 6 Подъем траверсы с роликовой головкой 7 Освобождение фиксатора 1 поворотного стола 8 Поворот стола назад

Начало операции

Конец операции

(0 ® 1) p

(0 ® 1) s4

В функции времени (0 ® 1) s4 (0 ® 1) s2

(0 ® 1) s2

(0 ® 1) s1

(0 ® 1) s1

В функции времени (0 ® 1) s3

(0 ® 1) p

(0 ® 1) s1

Автоматизированная установка для радиального прессования труб работает следующим образом. После установки формы 4 на поворотном

столе в исходное положение А подается пусковой импульс р. При этом кратковременно включается электромагнит ЭМ3, втягивающий фиксатор 2. Одновременно двигатель поворотного стола МС включается в направлении вперед. Когда форма 4 займет рабочее положение В, срабатывает фиксатор 1 и появляется сигнал s4 конечного выключателя ВК4. В этом случае двигатель МС отключается и включается электромагнит ЭМ2, открывающий клапан опускания траверсы с роликовой головкой, которая доходит до нижнего торца формы. В нижнем положении траверсы появляется сигнал s2 конечного выключателя ВК2 и электромагнит ЭМ2 отключается. Одновременно включаются двигатель питателя МП, двигатель головки МГ и электромагнит ЭМ1, открывающий клапан подъема траверсы; начинается процесс уплотнения бетонной смеси, поступающей непрерывно в форму. Когда траверса достигнет верхнего положения, появляется сигнал S1 конечного выключателя ВК1 и кратковременно включается электромагнит ЭМ4, втягивающий фиксатор 1. Одновременно отключаются двигатели МП, МГ и электромагнит ЭМ1, а двигатель МС включается в направлении назад, поворачивая стол. Таблица 3.14 Алгоритмы формирования командных сигналов при радиальном прессовании труб Циклограмма включения исполнительных механизмов

Исполнительный механизм Электромагнит фиксатора 2 стола Двигатель поворотного стола Электромагнитный клапан Двигатель питателя Двигатель роликовой головки Электромагнитный клапан Электромагнит фиксатора 1 стола Двигатель поворотного стола

Обозначение ИМ

Алгоритм формирования КС

ЭМ3

Ext(p)

МС (вперед)

Int[(0 ®1)p - (0 ®1)s 4 ]

ЭМ2

Int[(0 ®1)s4 - (0 ®1)s2 ]

МП МГ ЭМ1

Int[(0 ®1)s2 - (0 ®1)s1 ]

ЭМ4

s1 × D (0 ® 1) s1

МС (назад)

Int[(0 ®1)s1 - (0 ®1)s3 ]

Когда форма с уплотненной бетонной смесью займет исходное положение А, срабатывает фиксатор 2 и появляется сигнал s3 конечного выключателя ВК3. При этом двигатель МС отключается и заканчивается цикл формования трубы. На основании анализа зависимости интервалов включения исполнительных механизмов от сигналов пускового элемента и конечных выключателей можно записать алгоритмы формирования командных сигналов автоматического управления станком для радиального прессования труб (табл. 3.14). 3.7.4. Автоматическое управление установкой для формования плит Полигон для формования крупных облицовочных плит гидротехнических сооружений (рис. 3.83) имеет бункер 1 с бетонной смесью, бункер 2 с камнем, виброплощадку 3, самоходную тележку 4 с подъемной платформой 5, на которой устанавливается форма 6. Технологический процесс протекает следующим образом. После установки пустой формы на платформе тележка направляется к бункеру 1, где загружается нижний слой бетонной смеси. Затем тележка следует к бункеру 2, где загружается слой камня, после чего тележка снова направляется к бункеру 1 для загрузки верхнего слоя бетонной смеси. Заполненная форма от бункера 1 перемещается к виброплощадке, где платформа опускается, форма закрепляется на виброплощадке и начинается процесс виброуплотнения бетонной смеси. По окончании виброуплотнения форма освобождается, поднимается на платформе и тележкой возвращается в исходный пункт. При автоматическом управлении установкой для формования плит выполняются рабочие операции, указанные в табл. 3.15. На протяжении одного цикла работы установки сигналы промежу точных путевых выключателей ВП2–ВП5 появляются неоднократно. Для выделения активных сигналов, требуемых для управления исполнительными механизмами, необходимо использовать характерные рабочие операции или разделить цикл работы на определенные фазы. Например, для выделения активных сигналов путевого выключателя ВП4 целесообразно использовать рабочие операции, где происходит перемещение тележки вперед (табл. 3.16). Цикл работы делится на фазы с помощью коммутатора, который переключается сигналами определенных путевых выключателей. Цикл работы делится на фазы с помощью коммутатора который переключается сигналами определенных путевых выключателей. Если для переключения коммутатора использовать сигналы путевых выключателей ВП2 и ВП5, то цикл работы можно разделить на четыре фазы, j0–j1–j2–j2

причем j0 является в данном случае вспомогательной фазой, обусловленной чередованием переключающих сигналов s2 и s5. Автоматизированная установка для формования плит работает следующим образом. При подаче пускового импульса p двигатель привода самоходной тележки МТ включается в направлении вперед. Одновременно коммутатор устанавливается в положение, соответствующее вспомогательной фазе j0. Когда флажок 7, закрепленный на тележке, пройдет рабочую зону путевого выключателя ВП2, формируется импульс, переключающий коммутатор на один шаг, в результате чего появляется сигнал j1 первой фазы цикла. Таблица 3.15 Характеристика рабочих операций при формовании плит № п/п 1

Рабочая операция Перемещение вперед

2

Загрузка бетонной смеси

3

Перемещение тележки назад

4 5 6 7

Загрузка камня в форму Опускание формы на виброплощадке Захват формы на виброплощадке Виброуплотнение бетонной смеси

Начало операции

(0 ® 1) p (0 ® 1)j 2 s2 (0 ® 1) s4 При выполнении операции 1 (0 ® 1)j1s5 При окончании операций 5, 6 и 7 (0 ® 1)j 2 s3 С задержкой после включения ВП6 С задержкой после начала операции 5 С задержкой после начала операции 6

Конец операции ( 0 ® 1)j 2 s 2

( 0 ® 1) s1 В функции времени (0 ® 1)j 2 s2 (0 ® 1) s1 В функции времени

При воздействии тележки на путевой выключатель ВП4 появляется сигнал s4 и включается на определенное время двигатель питателя МП1, подающего бетонную смесь из бункера 1 в движущуюся форму. Когда сработает путевой выключатель ВП5, появляется сигнал s5, двигатель МТ включается в направлении назад и тележка направляется к бункеру 2. При этом после снятия сигнала s5 формируется импульс, переключающий коммутатор еще на один шаг. В результате этого изменяются значения выходных сигналов коммутатора: сигнал первой фазы цикла j1 становится равным нулю, а сигнал второй фазы цикла j2 – единице.

После срабатывания путевого выключателя ВП3 появляется сигнал s3 и включается на определенное время двигатель питателя МП2, подающего камень из бункера 2 в движущуюся форму. При срабатывании путевого выключателя ВП2 появляется сигнал s2, двигатель МТ включается вперед и тележка снова направляется к бункеру 1. Когда снимается сигнал s2, формируется импульс, переключающий коммутатор в положение, соответствующее последней фазе j3 цикла. Таблица 3.16 Алгоритмы формирования командных сигналов при формовании плит Циклограмма включения исполнительных механизмов j1

j2

Исполнительн ый механизм

Обозначе ние ИМ

Алгоритм формирования КС

Двигатель привода тележки

МТ (вперед)

V1 = Int[(0 ® 1) X1 - (0 ® 1)Y1 ]

Двигатель питателя 1 Двигатель питателя 2 Двигатель привода тележки

МП1

Exp ( s4V1 )

МП2

Exp (j 2 s3 )

Механизм опускания платформы Механизм захвата формы Двигатель привода вибровала

X 1 = pVj 2 s2 Y1 = s6Vj1s5

МТ (назад)

V3 = Int[(0 ® 1) X 3 - (0 ® 1)Y3 ] X 3 = j1s5V V 5 Y3 = s1Vj 2 s2

МО

V5 = D (0 ® 1) Z Z = s6 × D(0 ® 1) s6

МЗ

V6 = D (0 ® 1)V5

МВ

V7 = D(0 ® 1)V6

Примечания: 1. А – начало циклограммы; Б – продолжение циклограммы. 2. Цифры на циклограмме соответствуют рабочим операциям, указанным в табл. 3.15. 3. Активные сигналы путевых выключателей ВП2 – ВП5 выделены на циклограмме диагоналями.

Рис. 3.83. Структурная схема автоматического управления установкой для формования плит

После срабатывания путевого выключателя ВП4 снова включается на определенное время двигатель МП1 и в движущуюся форму укладывается второй слой бетонной смеси. Когда платформа тележки окажется над виброплощадкой, срабатывает путевой выключатель ВП6 и появляется сигнал s6. При этом с задержкой во времени последовательно включаются механизмы опускания платформы МО, захвата формы МЗ и двигатель привода вибровала MB. По истечении интервала времени, необходимого для окончания процесса виброуплотнения бетонной смеси, исполнительные механизмы

МО, МЗ и MB отключаются, а двигатель МТ включается в направлении назад. Теперь тележка транспортирует отформованную плиту в исходный пункт, где срабатывает путевой выключатель ВП1 и появляется сигнал s1, вследствие чего двигатель МТ отключается и тележка останавливается. На основании анализа зависимости интервалов включения исполнительных механизмов от сигналов пускового элемента и путевых выключателей, а также регламентированной во времени последовательности включений можно записать алгоритмы формирования командных сигналов автоматического управления установкой для формования плит (табл. 3.16). 3.7.5. Автоматическое управление оборудованием для формования многопустотных панелей В состав комплекта оборудования для формования многопустотных панелей (рис.3.84) входят формовочная машина 1 вибрационного действия, бетоноукладчик 3 и самоходный портал 8 с виброщитом 7. Пустоты образуются за счет вибровкладышей 5, которые вводятся в торцовые отверстия формы 6. Бетонная смесь, подаваемая из бункера 2, укладывается в два слоя. Бетонная смесь, подаваемая из бункера 2, укладывается в два слоя. Нижний слой бетонной смеси уплотняется с помощью вибровкладышей, верхний слой – при совместной работе вибровкладышей и виброщита 7, который опускается на форму лебедкой в рабочем положении портала. При автоматическом управлении оборудованием для формования многопустотных панелей выполняются рабочие операции, указанные в табл. 3.17. Автоматическое управление оборудованием осуществляется следующим образом. При подаче пускового импульса p двигатель каретки МК формовочной машины включается в направлении вперед и вибровкладыши 5 вводятся в торцевые отверстия формы 6. Когда каретка займет рабочее положение, появляется сигнал s2 путевого выключателя ВП2; при этом двигатель МК отключается, а двигатель бетоноукладчика МБ включается в направлении вперед. Когда направляющее устройство 4 окажется над формой, появляется сигнал s4 путевого выключателя ВП4, в результате чего включается двигатели шнека питателя МШ и вибровкладышей МВ1. Теперь по мере передвижения бетоноукладчика бетонная смесь подается из бункера 2 и распределяется в форме направляющим устройством. При подходе последнего к заднему борту снастки появляется сигнал s6 путевого выключателя ВП6. В этом случае двигатель МШ отключается, а двигатель МБ включается в направлении назад и бетоноукладчик возвращается в исходное положение, которое

контролируется путевым выключателем ВП3. Когда появляется сигнал s3 путевого выключателя ВП3, двигатель МБ отключается.

Рис. 3.84. Структурная схема автоматического управления оборудованием для формования панелей

По истечении времени, требуемого для распределения и уплотнения нижнего слоя бетонной смеси, в форму укладывается верхний слой, после чего бетоноукладчик возвращается в исходное положение. По истечении времени, необходимого для распределения и предварительного уплотнения верхнего слоя бетонной смеси, двигатель портала МП включается в направлении вперед. Когда самоходный портал достигнет рабочего положения, появится сигнал s5 конечного выключателя ВП5, отключающий двигатель МП. Одновременно двигатель лебедки МЛ включается в направлении вперед и виброщит опускается на форму. После опускания виброщита появляется сигнал s8 путевого выключателя ВП8;

при этом двигатель МЛ отключатся и включается двигатель вибраторов щита МВ2. Таблица 3.17 Характеристика рабочих операций при формовании многопустотных панелей № п/п

Рабочая операция

1

Перемещение каретки формовочной машини вперед

2

Перемещение бетоноукладчика вперед

3 4 5

Начало операции

7

Опускание виброщита

8 9 10 11

С задержкой после начала операции 4 (0 ® 1)s 4 при выполнении операции 2

Виброуплотнение нижнего слоя бетонной смеси Перемещение бетоноукладчика назад Перемещение портала вперед

Виброуплотнение бетонной смеси

Перемещение каретки чной машины назад Подъем виброщита

В функции времени

(0 ® 1)s 6

(0 ® 1)s 3

С задержкой после начала операции 4 слоя

формово-

Перемещение портала назад

(0 ® 1)s 6

(0 ® 1)s 4

(0 ® 1)s 5

верхнего

(0 ® 1)s 2

(0 ® 1)s 2

Укладка бетонной смеси

6

(0 ® 1)p

Конец операции

(0 ® 1)s 8 При окончании операции 4

(0 ® 1)s1 (0 ® 1)s 9

(0 ® 1)s 5 (0 ® 1)s 8 При окончании операции 4

(0 ® 1)s1 (0 ® 1)s 9 (0 ® 1)s 7

При истечении времени, необходимого для окончания процесса уплотнения бетонной смеси, двигатель МВ1 и МВ2 отключаются, а двигатель МК включается в направлении назад и каретка формовочной машины возвращается в исходное положение, которое контролируется путевым выключателем ВП1. Когда появится сигнал s1 путевого выключателя ВП1, двигатель МК отключается, а двигатель МЛ включается в направлении назад и виброщит поднимается. После подъема виброщита появляется сигнал s9 путевого выключателя ВП9, отключающий двигатель МЛ. Одновременно двигатель МП включается в направлении назад. Когда самоходный портал займет исходное положение, появляется сигнал s7 путевого выключателя ВП7. При этом двигатель МП отключается и цикл работы формовочного оборудования заканчивается.

Таблица 3.18 Алгоритмы формирования командных сигналов при формовании многопустотных панелей Циклограмма включения исполнительных механизмов

Исполнительный механизм

Обозначе ние ИМ

Алгоритм формирования КС

Двигатель привода каретки

МК (вперед)

Int [(0 ® 1) p - (0 ® 1) s2 ]

Двигатель привода бетоноукладчика

МБ (вперед)

Двигатель шнека питателя Двигатель привода бетоноукладчика Двигатель вибровкладышей Двигатель привода портала Двигатель привода лебедки Двигатель привода щита Двигатель привода каретки Двигатель привода лебедки Двигатель привода портала

V2 = Int [(0 ® 1)Y - (0 ® 1) s6 ]

Y = s2 Ú D1 (0 ® 1)V4

МШ

Int [(0 ® 1)V2 s4 - (0 ® 1) s6 ]

МБ (назад)

Int [(0 ® 1) s6 - (0 ® 1) s3 ]

МВ1

V4 = Ext ( s4 )

МП (вперед)

[D

2

(0 ® 1)V4 ]s5

МЛ (вперед)

Int [(0 ® 1) s5 - (0 ® 1) s8 ]

МВ2

s8V4

МК (назад)

Int [(0 ® 1)V4 - (0 ® 1) s1 ]

МЛ (назад)

s1s9

МП (назад)

Int [(0 ® 1) s9 - (0 ® 1) s7 ]

Примечания: 1. А – начало циклограммы; Б – продолжение циклограммы. 2. Цифры на циклограмме соответствуют рабочим операциям, указанным в табл. 3.17.

На основании анализа зависимости интервалов включения исполнительных механизмом от сигналов пускового элемента и путевых выключателей, а также регламентированной во времени последовательности включения можно записать алгоритмы формирования командных сигналов автоматического управления оборудованием для формования многопустотных панелей (табл. 3.18).

3.8. Автоматизация термовлажностной обработки изделий 3.8.1. Основные процессы и установки для термовлажностной обработки изделий На заводах железобетонных изделий продолжительность твердения бетона в основном определяет время изготовления конструкций. Поэтому интенсификация твердения существенно сокращает длительность производственного процесса. Тепловой метод обработки наиболее эффективно и широко используется при изготовлении железобетонных изделий. В настоящее время применяются следующие тепловые методы ускорения твердения бетона: термовлажностная обработка в паровоздушной среде при температуре 60 – 80°С; обработка в среде насыщенного пара при нормальном давлении и температуре 95 – 100°С; контактный обогрев изделий теплоносителем, циркулирующим в замкнутом пространстве, примыкающем к поверхности бетонного изделия; обработка бетона горячей водой в бассейнах; прогрев бетона электрическим током, пропускаемым через твердеющий бетон; с помощью инфракрасных лучей; горячее вибропрессование бетона; горячее формование и обработка в автоклавах в среде насыщенного водяного пара при давлении 0,8 – 1,5 МПа и температуре 175 – 200°С. Заводы железобетонных изделий оборудуются установками для термовлажностной обработки периодического и непрерывного действия. К установкам периодического действия относятся такие, в которых процесс тепловой обработки происходит периодами (циклами), т.е. изделия прогреваются одновременно с установкой на определенное время, после чего установка и изделие охлаждается. Такие процессы повторяются. Установки периодического действия по принципу передачи тепла можно разделить на две группы: 1) у которых обрабатываемые изделия непосредственно соприкасаются с теплоносителем и между ними происходит тепло- и массообмен;

2)

у которых прогрев изделий осуществляется чере разделительную поверхность. В этом случае наблюдаются более благоприятные условия формирования структуры бетона и время обработки сокращается но 10 – 20% по сравнения с обработкой в открытых формах. К первой группе периодического действия следует отнести пропарочные камеры, стенды и автоклавы, а ко второй – кассеты, пакеты, матрицы, объемно-формующие установки. Установки непрерывного действия применяются на заводах железобетонных изделий конвейерного типа. По конструктивным признакам их можно разделить на две категории: · горизонтальные – туннельного типа; · вертикальные – башенного типа. Экономичность работы камер характеризуется расходом пара на обработку изделий и может быть от 120 до 1000 кг/м3 . Оборачиваемость пропарочных камер составляет от одного до двух циклов, а кассетных установок – от одного до трех циклов в сутки. Такие широкие пределы изменения удельных расходов пара и оборачиваемости тепловых установок указывают на значительные резервы увеличения производительности предприятий. Эти резервы должны быть использованы при автоматизации процессов тепловой обработки. 3.8.2. Автоматизация термовлажностной обработки изделий в пропарочных камерах Наиболее распространенными агрегатами периодического действия, осуществляющими термовлажностную обработку железобетонных изделий, являются пропарочные камеры. Известны следующие типы камер: · ямные пропарочные камеры с нижней системой разводки перфорированных паропроводов; · безнапорные пропарочные камеры профессора Л. А. Семенова с нижней и верхней разводками перфорированных паропроводов и с обратной трубой для отвода паровоздушной смеси; · пропарочные камеры профессора А. А. Вознесенского с подачей пара через сопла Лаваля. Камеры оборудованы гидравлическими затворами для герметизации крышек и вытяжной вентиляцией для охлаждения камер и изделий после окончания процесса.

Термовлажностная обработка в ямных пропарочных камерах производится в паровоздушной среде при атмосферном давлении и температуре 60–90 ° С. В безнапорных пропарочных камерах профессора Л. А. Семенова процесс осуществляется в среде насыщенного пара нормального давления при температуре 95–100 ° С. В начале процесса пар подается в нижние перфорационные трубы, в результате чего камера и изделия постепенно нагреваются. При температуре 85–90 ° С нижняя разводка паропроводов отключается и пар начинает подаваться сверху. Сухой пар постепенно вытесняет насыщенную паровоздушную смесь из камеры через обратную трубу. Идет изотермический процесс. В камере профессора А. А. Вознесенского пар подается с повышенной скоростью. Это выравнивает температурное поле и улучшает теплообмен между паровоздушной средой и изделием. Такой метод повышения эффективности позволяет сократить расход пара и длительность тепловой обработки изделий примерно в два раза. Для выбора системы автоматизации камер необходимо знать рекомендуемый режим обработки изделий, который характеризуется предварительной выдержкой изделия до начала тепловой обработки, интенсивностью подъема температуры в камере, температурой и длительностью изотермического прогрева, скоростью остывания бетона при охлаждении. Допустимая максимальная скорость подъема температуры среды в камере составляет от 20 до 35 градусов в час. Автоматизацию тепловых процессов пропарочных камер наиболее целесообразно осуществлять по температуре изделия, но отсутствие измерительной аппаратуры для этой цели вынуждает управлять процессом по температуре паровоздушной среды, окружающей обрабатываемое изделие. Структурная схема автоматической системы регулирования температуры паровоздушной среды в пропарочной камере представлена на рис. 3.85. Для исследования автоматической системы управления процессом термовлажностной обработки необходимо дать математическое описание камеры как объекта управления. Режим термовлажностной обработки изделий в пропарочных камерах характеризуется программой изменения температуры паровоздушной среды. При этом делается допущение, что нагрев изделий равномерный, а условия по всему объему камеры одинаковые. Для составления уравнения динамики пропарочной камеры воспользуемся законом сохранения энергии.

Рис. 3.85. Структурная схема системы автоматического регулирования температуры паровоздушной среды в пропарочной камере

В камеру в единицу времени поступает количество тепла Q1, которое идет на нагрев камеры, форм и бетонных изделий, на испарение воды, нагрев среды, а также на потери Q2. Составим уравнение теплового баланса за интервал времени dt:

Cncn d 0 = (Q1 - Q2 )dt ,

(3.50)

где Cn – масса термовлажностной среды; cn – теплоемкость среды. Из уравнения динамики (3.50) получаем

Cn cn

d0 = Q1 - Q2 . dt

Запишем уравнение статики Q10 - Q20 = 0 .

(3.51)

Из уравнений (3.50) и (3.51) получим дифференциальное уравнение объекта в приращениях

Cn cn

dD 0 = DQ1 - DQ2 . dt

Определяем, какие факторы влияют на ∆Q1 и ∆Q2 : 1)

∆Q1 = f1 (θ, h, t,),

где h – перемещение регулирующего органа.

(3.52)

Разложим это выражение в ряд Тейлора по малым приращениям и отбросим все члены выше первого порядка: ∆Q1 = 2)

¶Q1 ¶Q ∆θ + 1 ∆h; ¶q ¶q

(3.53)

∆Q2 = f2 (θ, t) + Qут (t),

где Qут (t)– утечка пара. Разложим это выражение в ряд Тейлора: ∆Q2 =

¶Q2 ∆θ + Qут (t). ¶q

(3.54)

Уравнения (3.53) и (3.54) подставляем в уравнение (3.52):

¶Q1 ¶Q Gncn d (Dq ) = ¶Q1 ∆h + ∆θ – 2 ∆θ – Qут (t); ¶q ¶q ¶h dt после преобразования получим ¶Q Gncn d (Dи) + æç ¶Q2 - ¶Q1 ö÷ ∆θ = 1 ∆h – Qут (t). ¶q dt ¶и ø è ¶и

(3.55)

Перейдем к относительным величинам: Dq = φ – относительное значение регулируемой величины; q макс Dh = μ1 – относительное перемещение регулирующего органа; hмакс DQ ут Q ут. макс

= λ1 – относительное значение утечки (возмущение).

Подставим в выражение (3.55) эти обозначения: ¶Q Gncnθмакс dj + æç ¶Q2 - ¶Q1 ö÷ θмаксφ = 1 hмакс μ1– λ1. ¶h dt è ¶q ø

Обозначим

(3.56)

¶Q1 hмакс = Q1макс. ¶h

Разделим правую и левую части уравнения (3.56) на Q1макс и получим уравнение с безразмерными коэффициентами:

G n c n qмакс dj qмакс æ ¶Q 2 - ¶Q1 ö + ç ÷ φ = μ1– λ1. ¶q Q1макс dt Q1макс è ø

(3.57)

Введем следующие обозначения: T=

Gn c nq макс – время разгона объекта; Q1макс

A=

q макс æ ¶Q2 - ¶Q1 ö ç ÷ – коэффициент, характеризующий самовырав¶q Q1 макс è ø

нивание объекта регулирования. Самовыравнивание рассматривается как способность температуры среды в пропарочной камере самопроизвольно приходить к новому установившемуся значению без помощи автоматического регулятора. Самовыравнивание характеризуется коэффициентом, который для пропарочной камеры больше нуля. Это легко показать, используя графики зависимости расхода тепла и теплопотери в функции температуры паровоздушной смеси. Как показано на рис. 3.86, кривая Q1 = f1(θ) является ¶Q 1 > 0. возрастающей функцией температуры, следовательно, ¶и

Рис. 3.86. Кривые зависимостей Q1 и Q2 от температуры

Рис. 3.87. Переходный процесс при регулировании температуры в пропарочной камере

Кривая Q2 = f2(θ) также является функцией температуры, но и, следовательно,

¶Q1 ¶Q2 < ¶q ¶q

¶Q2 - ¶Q1 > 0. Таким образом, для пропарочной камеры ¶q

коэффициент самовыравнивания А – положительный. Подставляем выражения для Т и А в уравнение (3.57):

dj + Aj = м1 - л1 . dt Разделим левую и правую части уравнения (3.58) на А:

или

T

(3.58)

T dj 1 1 + j = м1 - л1 A dt A A

(3.59)

T j1¢ + j = kм - л , 0

(3.60)

где Т0 – постоянная времени объекта, с; k – коэффициент передачи объекта. Решая дифференциальное уравнение (3.60) при скачкообразном возмущении и нулевых начальных условиях, получим φ = kμ (1– e−t /T0 ). Таким образом, тепловой процесс в камере при скачкообразном изменении возмущающего действия протекает экспоненциально (рис. 3.87). Передаточная функция объекта регулирования:

W0 ( p ) =

k . T0 p + 1

Итак, при изучении пропарочной камеры как объекта регулирования установлено: · камера обладает положительным коэффициентом самовыравнивания; · температура паровоздушной среды при поступлении или сбросе пара нарастает по экспоненциальному закону; · постоянная времени этой экспоненты достаточно велика. Таким образом, пропарочная камера для системы авторегулирования является инерционным звеном с большой постоянной времени. Это позволяет использовать двухпозиционное регулирование. Аналогичными уравнениями описываются кассетные установки и термоформы. 3.8.3. Системы автоматического регулирования пропарочных камер Основной задачей автоматизации пропарочных камер является автоматическое программное регулирование теплового режима паровоздушной среды в камере с целью получения необходимой прочности железобетонных изделий при минимальных затратах энергии и времени.

Наряду с этим осуществляется автоматический контроль параметров пара, подводимого к объекту и находящегося внутри камеры. В качестве примеров рассмотрим две наиболее распространенные электрические системы автоматизации процессов в пропарочных камерах: 1) система двухпозиционного регулирования с регуляторами типа ПРТЭ-2М; 2) система изодромного регулирования с регуляторами типа ЭРП-61. Функциональная схема автоматизации пропарочной камеры системы Л. А. Семенова с применением регулятора ПРТЭ-2М изображена на рис. 3.88. Изучение динамики ямных пропарочных камер как объектов автоматического регулирования показало, что они обладают большой постоянной времени и положительным коэффициентом саморегулирования. Для объектов с такой динамической характеристикой достаточна точность ±2,5% диапазона регулирования. Исходя из этого, чаще всего выбирают двухпозиционное автоматическое регулирование с использованием программного электронного регулятора температуры типа ПРТЭ-2М, структурная схема которого приведена на рис. 3.89. Регулирование температурного режима по заданной программе осуществляется за счет изменения количества пара, подаваемого в камеру по командам от программного регулятора температуры. Датчики температуры паровоздушной среды (терморезисторы ТР1 и ТР2) установлены в рабочем пространстве камеры. В качестве исполнительного механизма применяется электромагнитный привод. Термовлажностная обработка производится при давлении пара в сети в пределах 0,06–0,08 МПа (0,6–0,8 кгс/см2). С этой целью на общей паровой магистрали устанавливается регулятор давления прямого действия РД (рис. 3.87). При понижении давления пара до 0,04 МПа (0,4 кгс/см2) сигнализатор падения давления Р отключает регулятор от электрической сети на время нарушения парового режима. Одновременно включается счетчик Сч учета времени простоя ямной камеры из–за пониженного давления пара. Изменение температуры в пропарочной камере в процессе термовлажностной обработки изделий записывается на диаграмме электронного моста. Потребление пара камерой измеряется расходомером, состоящим из диафрагмы ДП разделительного сосуда СП, дифманометра ДМ и вторичного показывающего и самопишущего прибора G.

Рис. 3.88. Функциональная схема автоматизации пропарочной камеры системы проф. Л. А. Семенова

На рис. 3.90 приведена функциональная схема автоматизации пропарочной камеры с автоматическим регулятором типа ЭРП-61, структурная схема которого приведена на рис. 3.91. Как видно из рис. 3.90, ямная камера с изделиями нагревается паром через трубу, расположенную внизу камеры. Терморезистор ТР помещен в камере.

Рис. 3.89. Структурная схема автоматического регулятора типа ПРТЭ-2М

Рис 3.90. Функциональная схема автоматизации пропарочной камеры ямного типа

Управление подачей пара осуществляется электродвигательным исполнительным механизмом М2, получающим импульсы от астатического программного регулятора РТ. Для учета расхода пара на магистрали установлена измерительная диафрагма ДП, к которой подключен регистрирующий расходомер G.

Рис. 3.91. Структурная схема автоматического регулятора типа ЭПР-61

Давление пара в подводящей магистрали стабилизируется регулятором давления прямого действия Р. Для контроля давления и сигнализации отклонения от нормы устанавливается контактный манометр КМ. Управление приводом вентилятора, охлаждающего камеру, осуществляется дистанционно. Приборы, показывающие температуру в камере, могут подключаться к датчикам температуры с помощью переключателей В. На схеме также показана световая сигнализация: значения давления пара – лампы Л2, ЛЗ, Л4; характера процессов «охлаждение» и «цикл окончен» – лампы Л5 и Л6; включения автоматического режима и вентилятора – лампы Л7 и Л1. 3.8.4. Автоматизация процессов термовлажностной обработки изделий в кассетах В настоящее время широкое распространение получили кассеты с двухсторонним обогревом каждого изделия и кассеты, в которых паровые отсеки обогревают два изделия. При автоматизации кассетных установок предусматривается автоматический контроль параметров пара и программное регулирование температуры пара в тепловых отсеках кассет. Условием эффективности автоматизации тепловой обработки в кассетах является стабилизация давления пара на отводе паровой магистрали. Регулирование процесса непосредственно по температуре бетона в кассетах затруднено. Недостаточно эффективным является и регулирование режима по температуре среды в отсеках, так как датчики при этом измеряют температуру, не соответствующую средней температуре бетона. Поэтому в качестве регулируемого параметра берется температура конденсата, отводимого из паровых отсеков. Автоматическая система контроля и регулирования термовлажностной обработки железобетонных изделий в кассетных установках (рис. 3.92) выполнена на современной аппаратуре – комплексе технических средств локальной информационно-управляющей системы (КТС ЛИУС). Она осуществляет двухпозиционное регулирование по отклонению. Сигнал от терморезистора ТР преобразуется в частоту блоком ППНС. Затем сигнал передается на коммутатор частотных сигналов адреса БКСА. В этом блоке вырабатываются адреса датчика и приемника. Из блока БКСА через групповой коммутатор БКСГ сообщение поступает на частотно-цифровой преобразователь БПСЦ4, где информация кодируется и обрабатывается. Частотный сигнал от ППНС поступает также и в блок вычисления регулирующего воздействия БРСР. В этот же блок поступают частотные сигналы от блока задания программы БДСЦ. Задания программ

формируются в нормальном двоичном коде с числом слов, равным 12, и числом разрядов в слове, равным 10. Сигнал от БДСЦ подается на БРСР через дистанционный задатчик ДЗЧМ. В блоке вычисления БРСР сравниваются сигналы от программного блока и от терморезистора ТР. Вычисленное отклонение усиливается, формируется закон регулирования, и управляющий импульс воздействует через исполнительный механизм на электромагнитный клапан ЭМ. В этой системе измеряются также давление пара на входе в пропарочную камеру и расход пара. Сигналы от соответствующих датчиков блоками ППФА преобразуются в частотные сигналы, которые проходят через коммутатор адреса БКСА и групповой коммутатор БКСГ. Получившие адреса сообщения сигналы кодируются в блоке БПСЦ4 и в закодированном виде перерабатываются в блоках обработки информации: БНОП, БНПП1, БМЦР3, БУФК. Для дальнейшей обработки информация поступает в АСВТ–М и магистральный канал. Через соответствующие блоки вывода ППСН1, БВЦК и БВКР1 информация отображается на приборах системы АСК, через блок вывода БВЦК – на приборах системы УЛТ, а через БВКР1 сигнализируются события и состояния в системе. В системе предусмотрены блок времени, датчики ручного ввода информации и системные комплексы КТС ЛИУС, позволяющие осуществлять централизованный контроль и управление технологическими процессами. Нормальный технологический режим термовлажностной обработки изделий в кассетах возможен при давлении пара после группового регулятора не менее 0,15 МПа (1,5 кгс/см2). При этом давление пара у наиболее удаленной кассеты при открытом вентиле составляет примерно 0,09 МПа (0,9 кгс/см2). В случае падения давления пара ниже 0,1 МПа срабатывает реле давления, которое включает звуковой и световой сигналы. Своими размыкающимися контактами реле давления разрывает цепи питания программного регулятора температуры, электромагнитных клапанов и аварийного реле времени. При этом автоматически удлиняется время термообработки изделий, так как электромагнитные клапаны кассет открываются, а лекала регуляторов температуры останавливаются. При восстановлении рабочего давления пара схема автоматически включается. Автоматизация процесса тепловой обработки позволяет снизить расход пара по сравнению с ручным управлением на 22–25%. Аналогичные системы автоматизации процесса термовлажностной обработки железобетонных изделий осуществляются в горизонтальных формах с термоподдонами, в матрицах, объемно-формующих установках и пакетировщиках.

Рис. 3.92. Функциональная схема автоматизации кассетной установки с использованием аппаратуры КТС ЛИУС

3.8.5. Автоматизация процесса термовлажностной обработки железобетонных изделий в вертикальной камере башенного типа При автоматизации производства железобетонных изделий весьма перспективными являются вертикальные камеры твердения непрерывного действия. Применение этих камер значительно эффективнее, чем ямных пропарочных камер. Функциональная схема автоматизации вертикальной камеры представлена на рис. 3.93.

Рис. 3.93. Функциональная схема автоматизации вертикальной камеры непрерывного действия

В рассматриваемой камере используется принцип противотока, когда холодные изделия, поднимаясь вверх, движутся навстречу потокам все более горячей и влажной паровоздушной среды, а изделия, прошедшие термовлажностную обработку, при опускании вниз соприкасаются со все более холодной средой. Изотермический процесс происходит в насыщенном паре, подаваемом в верхнюю зону камеры при температуре 100 ° С. Программа термовлажностной обработки изделий изменяется путем регулирования высоты зоны изотермического прогрева за счет изменения подаваемого в камеру количества пара. Это дает возможность

автоматически регулировать режим обработки с помощью типовых регуляторов стабилизации температуры РТ1, РТ2. Пар через регулирующие органы подается в перфорированные трубы камеры. Регулирующие органы приводятся в движение электрическими исполнительными механизмами М1 и М2, получающими командные импульсы от автоматических регуляторов. Регулирующее устройство настроено на поддержание заданного значения температуры среды. Автоматическая регистрация температуры среды, измеренной по высоте камеры, осуществляется несколькими температурными датчиками ТР и автоматическим многоточечным измерительным мостом МИМ. При понижении давления пара в паропроводе ниже нормы или при отсутствии пара срабатывает сигнализатор падения давления р, зажигается световое табло СТ и звонит звонок Зв. Аналогичную схему автоматики имеют туннельные пропарочные камеры трапецеидальной формы, одноярусные туннельные горизонтальные камеры П-образной формы и двухъярусные камеры непрерывного действия проф. А. А. Вознесенского. 3.8.6. Автоматизация процесса термовлажностной обработки изделий в автоклавах При термообработке под давлением силикатных и железобетонных блоков температура среды в автоклаве должна изменяться по жесткой программе в соответствии с технологией производства. Температура в автоклавах регулируется впуском и выпуском насыщенного пара. Качество процесса прогревания зависит от точности выполнения программы изменения температур, осуществляемой с помощью автоматического управления. Важным вопросом при построении систем управления процессом является выбор регулируемого параметра. Принять в качестве регулируемого параметра температуру в автоклаве нельзя, так как датчик температуры может быть установлен только в непосредственной близости от металлической стенки автоклава, что приводит к ошибкам в оценке фактической температуры среды. На участке подъема и спада температуры влияние тепловой емкости стенок автоклава вообще не позволяет точно выдержать заданную технологами программу. Поэтому целесообразнее принять в качестве регулируемой величины давление пара в автоклаве, поскольку оно жестко связано с температурой. Функциональная схема системы автоматического управления группой автоклавов, представленная на рис. 3.94, должна обеспечить ведение двух режимов: нормального и экономичного. Под нормальным понимается такой режим, когда при повышении и стабилизации температуры в

автоклав поступает острый пар из котельной, а при снижении температуры он выпускается в атмосферу или в котел–утилизатор. Экономичный режим отличается от нормального тем, что в начале процесса в рассматриваемый автоклав поступает так называемый перепускной пар, т. е. отработанный, выпускаемый из предыдущего автоклава. Для этой цели все автоклавы соединяются общей перепускной линией. Через определенное время в рассматриваемый автоклав подается острый пар из котельной. Выпуск пара производится также в два этапа: вначале пар выпускается в последующий автоклав, а затем в атмосферу. Использование перепускного пара дает значительную экономию.

Рис. 3.94. Функциональная схема автоматизации автоклава

При автоклавной обработке силикатных и ячеистых бетонов для снижения их остаточной влажности рекомендуется операция вакуумирования. Исследования автоклавов как объектов автоматического регулирования выявили эффективность позиционного регулирования процесса термовлажностной обработки, что обусловило применение двухпозиционных регуляторов. Систему управления для автоклавов можно построить с использованием пневматического или электрического программного регулятора РТ, подключенного к терморезистору ТР. Порядок подключения к автоматическому регулятору РТ различных исполнительных механизмов М1 – М6 регулирующих органов обеспечивается программным устройством. Предусмотрен также контроль давления р и учет расхода пара G. Известны две пневматические системы программного управления автоклавами: с использованием малогабаритной агрегатной унифицированной системы (АУС) и с использованием регулятора температуры типа ПРЗ.

Рис. 3.95. Схема автоматизации автоклава с использованием пневматической Аппаратуры

В качестве датчика первой системы (рис. 3.95) используется манометр типа МГП–270 с пневматической пристройкой, преобразующей измеряемое давление в стандартное давление воздуха 0,02 – 0,1 МПа. Автоматическое регулирование параметра по заданной программе осуществляется регулирующим блоком 4РБ-32А. Характеристика этого блока изодромная с диапазоном регулирования 10–25% и временем изодрома от 3 с до 100 мин. Сигнал задания в функции профиля программного диска и времени поступает в регулятор из программного задатчика ПД-35А. В качестве исполнительного механизма используются нормально закрытые регулирующие клапаны с пневматическим мембранным приводом. Для получения нисходящей ветви программы необходимо инвертировать характеристику регулятора. Для этого в систему добавляется суммирующее реле типа БС-34А. Сигнал на выходе реле р' = р1 – р + С (С – натяжение регулировочной пружины) должен меняться от 0,1 МПа до 0 при изменении выходного сигнала регулятора от 0 до 0,1 МПа. На разных участках программы регулирования давления в автоклаве, а также при переходе с нормального режима на экономичный и обратно необходимо сигнал с выхода регулятора подводить к различным регулирующим органам. Для этой цели в схеме используются электропневматические вентили В. Вентиль (рис. 3.96) представляет собой конструктивное объединение электромагнитного РЭ и пневматического РП реле, с помощью которых коммутируются пневматические импульсные линии. В электромагнитном реле сердечник и якорь представляют собой элемент «сопло–заслонка». При отключенной катушке реле воздух свободно проходит в атмосферу и за счет перепада давления рп на дросселе Др командное давление рк = 0. При включении реле РЭ якорь перекрывает выход воздуха в атмосферу, давление рк возрастает до 0,1 МПа и пневматическое реле РП срабатывает. При отсутствии командного импульса рк под действием опорного давления р0 перекрывается линия b – г и сообщается линия а – б. Подача командного давления вызывает срабатывание реле РП, так как рк > р0, и коммутацию линий а – б и в – г. Программу переключений в системе, представленную на рис. 3.96, выполняет командный электропневматический прибор КЭП– 12у. Частота вращения программного вала К311 должна быть синхронной с частотой программного механизма. Здесь также показана циклограмма работы коммутационных элементов схемы. В соответствии с этой программой рассмотрим работу системы автоматики при различных режимах термовлажностной обработки изделий. В н о р м а л ь н о м р е ж и м е выключатели Т1 и Т2 (см. рис. 3.95) находятся во включенном состоянии. Они отключаются при ремонтных работах и при остановке автоклава на длительный срок. Пуск системы осуществляется кнопкой Кн1. Схема включается только при закрытой

крышке автоклава, что фиксируется замыканием контакта концевого выключателя ВК. Кратковременная подача напряжения на обмотку электромагнита ЭМ прибора КЭП12у обеспечивает замыкание контактов КЭШ и включение реле Р1, которое подает напряжение питания на электродвигатели командного прибора Мкэп и проРис. 3.96. Устройство пневмоэлектромагнитного клапана граммного задатчика Мпд, а также на обмотки электропневматических вентилей. Сразу же контакты КЭП2 включают вентиль В1, соединяющий выход регулятора с регулирующим клапаном Квп. Система начинает выполнять заданную программу на участке 0–3 (рис. 3.97). Одновременно включаются контакты КЭП4. Лампа Л1 сигнализирует о включении схемы регулирования, а Л2 – о подъеме давления в автоклаве. В момент времени t3 размыкаются контакты КЭП2, отключается вентиль В1, после чего закрывается клапан Квп. Одновременно контакты КЭП3 включают вентиль В2, а контакты КЭП5 – лампу Л3. Этим обеспечивается соединение выхода регулятора через суммирующее реле с выпускным клапаном Квып и, следовательно, выполнение программы на участке 3–5. Лампа Л3 сигнализирует о начале выпуска пара из автоклава. В течение цикла пропаривания дважды, в начале и в конце процесса, контактами КЭП6 кратковременно включается вентиль В5, полностью открывающий клапан Кк. В это время из автоклава сливается вода, образующаяся в периоды интенсивной конденсации пара. После выполнения программы размыкаются контакты КЭП3 и через 20–30 с – контакты КЭШ, обесточивающие электрическую схему системы управления. В э к о н о м и ч н о м р е ж и м е операции выполняются не по жесткой, заранее заданной программе. Пуск схемы производится так же, как и в нормальном режиме. На участке программы 0–1 контакты КЭП4 замкнуты и горит лампа Л2, сигнализирующая о возможности приема пара из пропускной линии. Если загорится лампа Л3 другого автоклава, то оператор должен нажать кнопку Кн3 данного автоклава и кнопку Кн5 автоклава, из которого пар выпускается. В результате срабатывают реле Р2, включающий вентиль В3 и отключающий вентиль В1. Регулирующее воздействие подается через

вентиль В4 на клапан Кп, а клапан Квп закрывается, так как его импульсная линия сообщается с атмосферой. В конце участка 0–1 контакты КЭШ размыкаются и регулятор вновь соединяется с клапаном Квп. Перепуск прекращается, и в автоклав подается пар из котельной.

Рис. 3.97. Циклограмма работы автоклава в нормальном и экономичном режимах

Так как V – const, то уравнение динамики будет

V

dг = Gпр – Gотб dt

или в приращениях

V

dДД = ∆Gпр – ∆Gотб. dt

(3.61)

Так как плотность пара γ зависит от его давления р, то целесообразнее перейти к регулированию по этому параметру.

Принимая процесс политропическим (без потерь), запишем его уравнение p p0 = = const, (3.62) г n г0n где п – показатель политропы, п = 1,4. Продифференцируем его по переменным р и γ и приравняем нулю: d dt

np æ p0 ö 1 çç n ÷÷ = n ∆p – n +01 ∆ g = 0, г0 г0 è г0 ø

откуда ∆g =

г ∆p. np0

(3.63)

Подставив это значение в уравнение (3.61), получим V

g 0 dДR = ∆Gпр – ∆Gотб. np0 dt

(3.64)

Переменные Gпр и Gотб определяются так: Gпр = f1 ( pк, p, m); Gотб = f2 ( p, pатм, l), где pк – давление в котле; р – давление в автоклаве; pатм – атмосферное давление; т и l – перемещение клапанов. С учетом постоянных значений переменных получим Gпр = f1 ( p, m); Gотб = f2 ( p, l).

(3.65)

Линеаризируя уравнения (3.65) путем разложения в ряд Тейлора, подставим их в уравнение (3.64). Затем преобразуем уравнение динамики в уравнение с безразмерными коэффициентами, введя обозначения: φ = ∆p/p0;

μ1 = ∆m/mmax;

æ ¶ G отб ¶ G np A = çç p ¶p ¶ è

ö p0 ÷÷ . G ø max

μ2 = ∆l/mmax;

T = Vγ0/nGmax;

Тогда получим T0

dj + A j = μ1 – μ2 dt

или T

dj + j = κ1μ1 – k2μ2, dt

(3.66)

где Т – постоянная времени объекта; κ1 и k2 – коэффициенты передачи объекта; μ1 и μ1 – относительные перемещения регулирующих органов (прихода и отбора). Из выражения (3.66) видно, что автоклав представляет собой одноемкостный объект с положительным самовыравниванием. Характер переходного процесса экспоненциальный. 3.8.7. Автоматизация термовлажностной обработки изделий с контролем прочности В настоящее время более 90% продукции заводов сборного железобетона подвергается термовлажностной обработке с целью интенсификации твердения бетона. Наиболее распространенным методом прогрева является пропаривание конструкции при нормальном давлении и температуре паровоздушной среды до 100 ° С. Считается, что выполнение заданной программы регулирования температуры во времени вполне обеспечивает требуемую прочность бетона. Однако температура изделий вследствие экзотермии бетона не равна температуре паровоздушной среды. Тепловые удары на бетон ухудшают его структуру, поэтому фактическая прочность бетона в момент окончания прогрева остается неизвестной. Для улучшения качества изделий и экономических показателей необходимо использовать непрерывную информацию о фактической температуре и прочности твердеющего бетона. Это позволит управлять процессом твердения бетона и своевременно корректировать режим в реально сложившихся условиях. Имеется ряд предложений по применению физических методов контроля прочности прогреваемого бетона с целью коррекции продолжительности тепловой обработки. Рекомендуются методы определения прочности, основанные на электропроводности, динамической упругости, ультразвуковой проницаемости, контрактации бетона, контроле градусовчасов и температурно-временного эквивалента. Многие из этих методов отличаются сложностью и дают значительные погрешности. Остановимся на наиболее перспективном методе температурно-временного эквивалента. В основу аналитического определения прочности

бетона, твердеющего при переменной температуре, положено понятие температурно–временного эквивалента прочности ε (θ, t), т.е. функционала температуры θ(t) и продолжительности твердения t, связанного с прочностью бетона однозначной зависимостью R (ε). Значение температурно-временного эквивалента имеет вид t

ε = ò Ф [θ (t)] dt,

(3.67)

0

где Ф [θ (t)] –экспериментально установленная функция температур вида Ф [θ (t)] = (θ0 + θ)n,

(3.68)

θ0 – температура бетона, при которой он не твердеет; п = 1,2 ÷ 2 – опытная постоянная, которая зависит от минералогического состава цемента. Зависимость прочности бетона от температурно-временного эквивалента выражена гиперболой вида е R = R¥ , н+е

(3.69)

где R¥ –потенциальный предел прочности; n –постоянная, характеризующая состав и структуру бетона. На основании формул (3.67) – (3.69) составлен алгоритм функциони рования счетно-решающего устройства, структурная схема которого показана на рис. 3.98 и отражает последовательность математических операций для получения значений прочности бетона. Контроль твердения осуществляется автоматическим Рис. 3.98. Алгоритмическая структура регулятором тепловой обработки счетно-решающего устройства бетона (АРТОБ-1), объединяющим счетно-решающее и программно-регулирующее устройства. Структурная схема прибора АРТОБ-1 приведена на рис. 3.99. Изделие 1 с установленным в бетон датчиком температуры 2 помещается в пропарочную камеру 3. Заданный режим изменения температуры бетона выполняется программным устройством 12, которое управляет исполнительным механизмом 10, регулирующим подачу теплоносителя через командное устройство 11. Датчик температуры включен в одно из плеч равновесного моста 4. Электронный усилитель 5 усиливает сигнал разбаланса моста и управляет реверсивным двигателем 6, перемещающим записывающее

устройство 13, которое вычерчивает график температуры изделия на ленте, движущейся с помощью синхронного двигателя 14. Реверсивный двигатель управляет работой степенного устройства 7, выполняющего функцию ε (θ). Сигнал от степенного устройства поступает на интегратор 8, который интегрирует функцию ε (θ) во времени, т. е. накапливает значение температурно-временного эквивалента ε. Кроме того, сигнал степенного устройства передается в индикаторно-сравнивающее устройство 9, которое поворачивает барабан с укрепленной на нем шкалой. Цена деления шкалы зависит от температурно-временного эквивалента и определяется по формуле (3.67). Когда бетон изделия достигнет прочности, заданной в индикаторно-сравнивающем устройстве, подается сигнал на командное устройство 11, отключающее исполнительный механизм 10.

Рис. 3.99. Структурная схема прибора АРТОБ -1

Продолжительность работы устройства не ограничена. С внедрением автоматического устройства расход пара на кубический метр изделий по сравнению с ручным управлением сократился на 14,5%, уменьшилась продолжительность прогрева балок на 10–18 ч, увеличилась производительность отдельных линий на 25%. 3.8.8. Многоканальное регулирование температуры в пропарочных камерах, кассетах, автоклавах Наиболее распространенные системы автоматизации технологических процессов предусматривают использование индивидуальных устройств для регулирования отдельных параметров. Это приводит к большим

затратам на приобретение, монтаж, эксплуатацию регуляторов и вызывает значительные расходы на сооружение щитов и помещений для их размещения. Кроме того, на предприятии необходимо иметь большой резервный парк регуляторов. Одним из действенных способов снижения затрат на аппаратуру автоматики, сокращения габаритов щитов, площадей щитовых помещений, а также повышения надежности работы аппаратуры является использование многоканальных регуляторов. Многоканальными регуляторами принято называть устройства, предназначенные для автоматического регулирования многих параметров, измеряемых отдельными датчиками путем воздействия на отдельные регулирующие органы. В этих регуляторах предусматривается многократное использование наиболее сложных и дорогих функциональных узлов. К числу таких устройств могут относиться усилители, формирователи, корректирующие устройства. Важным достоинством многоканального регулирования является увеличение вероятности безотказной работы регулируемых объектов. Для связи объектов регулирования с общим автоматическим регулятором может быть использован временной способ разделения каналов, предусматривающий поочередную связь. Интервалы времени, через которые осуществляется присоединение объекта управления к регулятору, называется циклом обегания регулятора T0. Практическое распространение получили многоканальные регуляторы с постоянным циклом обегания. Для этих регуляторов при регулировании п параметров время каждой связи индивидуальных устройств с общей частью регулятора в пределах цикла обегания равно tсв = T0/n. Вследствие временного разделения каналов многоканальные регуляторы относятся к устройствам дискретного действия, в которых регулируемые параметры подвергаются квантованию по времени. На рис.3.100 изображена обобщенная функциональная схема многоканального регулятора. В регуляторе установлены: · датчики Дi, осуществляющие измерение регулируемых параметров; · задатчики Здi, с помощью которых производится установка заданных регулируемых параметров; · исполнительные механизмы ИМi, воздействующие на регулирующие органы РОi; · элементы динамической настройки автоматического регулятора АР, определяющие параметры закона регулирования по каждому каналу; · контакты Рi, подключающие поочередно Дi, Здi, ИМi к общей части регулятора АР;

· сравнивающее устройство ОСi, в котором происходит алгебраическое суммирование сигналов датчиков и задатчиков и формирование сигналов ошибки; · усилитель сигнала ошибки и формирующее устройство, расположенные в АР, вырабатывают сигналы управления исполнительными механизмами; · обегающее программное устройство ОУ, которое осуществляет управление всеми переключающими устройствами. Блок управления часто включает в себя генератор импульсов (ГИ), с помощью которого задается темп работы многоканального регулятора.

Рис. 3.100. Функциональная схема многоканального регулятора

В настоящее время нашей промышленностью выпускаются современные многоканальные регуляторы. В системе КТС ЛИУС выпускается комплекс КМ-1201-1 на 16 каналов управления, в системе АСКР-ЭЦ регуляторы А-761-05 на 16 каналов, А-305-13 и А-306-14 на 8 каналов управления, в системе «Центр» – регуляторы БРП-10 на 10 каналов и БППИ-20 на 20 каналов управления. Для контроля и регулирования большого числа различных технологических параметров могут быть использованы машины многоканального централизованного контроля и регулирования. В этих системах осуществляется простейшее позиционное регулирование технологических параметров.

На предприятиях строительной индустрии пропарочные камеры, кассеты и автоклавы обладают большой тепловой инерционностью, поэтому нет надобности вести непрерывный контроль и управление. В этом случае можно использовать одно автоматическое устройство для контроля и управления тепловыми процессами многих объектов. Были разработаны программные многоканальные электрические автоматические регуляторы МРТЭ-10, БМРТЭ, «Памир» и пневматические установки «Пуск-ЗС» и «Пуск-ЗП». Пневматическая установка централизованного контроля, регулирования и дистанционного управления «Пуск-ЗП» (рис 3.101) предназначена для программного автоматического регулирования процесса тер– мовлажностной обработки железобетонных изделий в группе пропарочных камер, кассет, автоклавов и пр. Установка состоит из десяти независимых каналов контроля и регулирования и создана на базе элементов универсальной системы промышленной пневмоавтоматики УСЭППА. Установка «Пуск-ЗП» включает в себя станцию централизованного контроля и управления (СЦКУ), десять преобразователей температуры в давление (датчиков), десять исполнительных механизмов подачи пара, десять исполнительных механизмов эжекторов и пневмолиний. Исполнительные механизмы представляют собой нормально закрытые клапаны с мембранными приводами. Станция централизованного контроля и управления состоит из функциональных модулей: · комбинированного модуля М198м, предназначенного для обнаружения отклонений параметров от заданных, отработки ПИ-закона регулирования, формирования управляющих сигналов и коммутации их к исполнительным механизмам подачи пара. В этот блок входит регулятор типа ПРЗ, 21; · модуля включения эжекторов М200; · модуля включения вентиляторов М141, предназначенного для включения двух групп вентиляторов по сигналам, полученным из модуля М200; · модуля ручных задатчиков, предназначенного для создания опорного давления на элементах задатчиков. Кроме того, установка имеет управляющее устройство УУ-1, электронный коммутатор ЭК-1, панель сигнализации ПС. Для контроля прочности изделий используется ультразвуковой прибор типа УКБ-1. Рассмотрим работу установки в автоматическом режиме.

Рис. 3.101. Схема автоматического управления процессом термовлажностной обработки изделий с использованием аппаратуры «Пуск-ЗП»

При включении установки тумблером «Автоматический режим» (АР), находящимся на панели управления, комбинированный модуль М198м, сравнивая сигнал датчика температуры и задатчика, реализует ПИ-закон регулирования и подает управляющие команды на исполнительный механизм паропроводов. Одновременно сигнализируются отклонения допустимых значений температур. При отклонении температуры за пределы нижнего допустимого значения автоматически останавливается двигатель программного задатчика. Установка имеет коммутаторы и регистрирующий прибор, записывающий температуру и задание по каждому каналу. По окончании цикла прогрева выдается сигнал на модуль М200, который формирует управляющий сигнал на исполнительные механизмы эжекторов, открывая вентиляционные камеры. Аналогичные воздействия поступают от аппаратуры УКБ-1 при достижении изделием заданной прочности. Одновременно высвечивается сигнал «Эжектор включен». Через заданный промежуток времени включаются магнитный пускатель вентилятора и сигнализация «Вентилятор включен». После окончания процесса термовлажностной обработки и охлаждения камеры и изделия включается сигнал «Цикл окончен», снимается сигнал «Эжектор включен» и останавливается программный задатчик. Перевод любого канала в режим дистанционного управления осуществляется тумблером ДР. При этом остальные каналы работают в автоматическом режиме. 3.8.9. Расчет устойчивости многоканальных систем автоматического регулирования Исследование многоканальных систем автоматического регулирования осуществляется путем рассмотрения процесса в одном контуре регулирования. Приведем методику исследования такой системы на примере регулирования температуры в пропарочной камере. Импульсная система автоматического регулирования температуры в пропарочной камере описывается следующей системой уравнений: · уравнение объекта регулирования T0φ΄ + φ = k (μ – λ); ·

уравнение датчика температуры δη + φ = 0;

·

(3.70)

уравнение жесткой обратной связи

(3.71)

σ = η – μ;

(3.72)

· уравнение исполнительного механизма широтно-импульсной системы регулирования [5] μ (n +1) – μ (n) = kиσ (n), (3.73) где δ – коэффициент неравномерности регулирования; η – относительное перемещение чувствительного органа; σ – относительное значение входного сигнала исполнительного механизма; п – порядковый номер периода; k – коэффициент усиления. В этой системе уравнение (3.70) является дифференциальным, уравнения (3.71) и (3.72) – алгебраическими, а уравнение (3.73) – разностным. Для исследования процесса необходимо совместное их решение, а это вызывает необходимость превратить все уравнения в разностные. Для преобразования дифференциального уравнения в разностное необходимо проинтегрировать его в пределах периода и подставить переменные: в начале периода ( t = 0) – значение φ (п), в конце периода (t = ∞) – значение φ (п + 1). В уравнении объекта регулирования для простоты преобразования положим λ = const. Кроме того, будем считать, что μ , меняется скачком в начале периода. Длительность включения сервомотора по сравнению с периодом регулирования мала. На основании этого можно считать, что μ = μ (п) = const. Тогда уравнение объекта регулирования можно рассматривать как дифференциальное уравнение с постоянной правой частью. Проинтегрируем это уравнение в пределах промежутка времени nго периода. Полное решение этого уравнения будет φ = φ1+ φ2, где φ1 и φ2 – общее и частное решения. Найдем общее решение T0φ1΄ + φ1 = 0. Напишем характеристическое уравнение тогда корень уравнения общее решение уравнения

T0 z + 1 = 0, z = – 1/ T0, φ1 = ce−t/T0,

где с – постоянная интегрирования.

(3.74)

Найдем частное решение линейного уравнения (3.70): так как правая часть уравнения постоянна, то решение его φ2 = В. Подставив это решение в уравнение (3.74), получим тождество B= kμ (n) – kλ, так как Т0

dB = 0. dt

Полное решение уравнения объекта регулирования φ = φ1+ φ2 = ce−t/T0 + kμ (n) – kλ.

(3.75)

Постоянную интегрирования с находим по начальным условиям: в начальный момент n-го периода (t = 0) φ= φ(п), тогда по уравнению (3.75) φ = φ (п) = kμ (n) – kλ+с,

(3.76)

c = φ (п) – kμ (n) + kλ.

(3.77)

откуда Подставив в уравнение (3.75) вместо с его выражение (3.77), получим φ (п) = kμ (n) – kλ + [φ (п) – kμ (n) + kλ] e−t/T0.

(3.78)

Чтобы найти φ (п + 1), необходимо в уравнение (3.78) подставить t = T, тогда получим φ (п+1) = kμ (n) – kλ + φ (п) e−T /T0 – k [μ (n) – λ] e−T /T0.

(3.79)

Для получения разностного уравнения необходимо из φ (п + 1) вычесть φ (п), тогда получим φ (п+1) – φ (п) e−T /T0 = kμ (n) (1– e−T /T0 ) – kλ (1– e−T /T0 ).

(3.80)

Значительно проще превращается в разностное алгебраическое уравнение, так как его переменные связаны между собой в любой момент времени и в том числе в момент t ~ п. Напишем все уравнения системы автоматического регулирования в разностной форме: φ (п+1) – φ (п) e−T /T0 = kμ (n) (1– e−T /T0 ) – kλ (1– e−T /T0 );

(3.81)

δη (п) + φ (п) = 0;

(3.82)

σ (п) = η (п) – μ (n);

(3.83)

μ (n + 1) – μ (n) = knσ (n). (3.84) Для совместного решения разностных уравнений введем оператор, превратив эти уравнения в алгебраические: pxφ –φe−T /T0 = kμ (1– e−T /T0 ) – kλ (1– e−T /T0 );

(3.85)

δη + φ = 0;

(3.86)

σ = η – μ;

(3.87)

pxφ – μ = kиσ.

(3.88)

При исследовании системы регулирования на устойчивость выражение kλ (1– e−T /T0 ) в уравнении (3.85) можно не учитывать. Таким образом, в полученных алгебраических уравнениях коэффициенты переменных в общем случае будут некоторыми многочленами относительно оператора рх. Эти алгебраические уравнения совместны, решая их, получим (px – e−T /T0) φ – k (1– e−T /T0 ) μ = 0; (3.89) k – и φ – k (px– 1 + kи ) μ = 0. k Рассмотрим метод построения переходного процесса для импульсных систем. Структурно-динамическая схема импульсной системы регулирования представлена на рис. 3.102. a (t)

ИЭ

Кф(р)= Ки gТ

К1 К2 Р

Рис. 3.102. Структурно-динамическая схема импульсного регулирования

1 Р

b(t)

Определим переходную функцию импульсной системы автоматического регулирования. Передаточная функция импульсной системы состоит из kл передаточной функции линейной части W л ( p) = и передаточной p (Tp + 1) функции

импульсной

части

k ф ( р)= k и gT ,

где

g=t/T– скважность

импульсов; kл– передаточный коэффициент линейной части; kи – передаточный коэффициент импульсного элемента. Приведенная передаточная функция системы:

W0 ( p ) =

k и gk л , q(q + 1)

(3.90)

где q = pT – параметр дискретного преобразования Лапласа. Для расчета переходной функции замкнутой системы нужно определить дискретно-импульсную переходную функцию разомкнутой системы. С помощью таблицы преобразования находим импульснопереходную функцию для приведенной непрерывной части: ì kи gk л üï -t ý = kи gk л (1 - e ) , ïî q(q + 1) ïþ

k p (t ) = {W0 (q )} = L-1 ïí

откуда дискретно-импульсная переходная функция разомкнутой системы

k p [n, e ] = k и gk p (1 - e - ( n + e ) ),

(3.91)

где n– любое целое число; e– смещение решетчатой функции; t– время запаздывания. Импульсная переходная функция замкнутой системы

k з [n, e ] = k p [n, e ] -

n -1

å k p [l ,1]k з [n - l - 1, e ] .

l =0

(3.92)

3.9. Автоматизация арматурных работ при производстве железобетонных изделий. Общие сведения об арматуре и ее изготовлении Бетон хорошо работает только на сжатие, поэтому конструкции из бетона, работающие на растяжение и изгиб, имеют стальную арматуру, воспринимающую растягивающие усилия. Стальная арматура закладывается в процессе формования изделия или до него. Бетонная смесь, затвердевая, прочно сцепляется с арматурой. При нагружении конструкции каждая ее часть работает в выгодных для нее условиях, т. е. бетон – на сжатие, а сталь – на растяжение. Чтобы исключить появление растягивающих напряжений в бетоне и как следствие этого – трещин, во многих железобетонных конструкциях арматуру делают предварительно– напряженной. Преднапряженные железобетонные изделия более рационально используют высокопрочные стали и бетоны и имеют повышенную жесткость. Арматурные элементы конструкций можно классифицировать по их виду: · отдельные прямые или гнутые стержни из обычной или упрочненной стали; · сварные арматурные сетки шириной до 3800 мм, плоские сварные каркасы с решеткой в виде сетки шириной до 600 мм; · пространственные сварные арматурные элементы для балок, колонн, труб, опор линий передач и других изделий; · вязаные плоские и пространственные арматурные элементы; · стальные закладные и накладные детали, служащие для соединений сборных железобетонных конструкций при их монтаже. Сталь для арматуры поступает на завод в виде прутков, в бухтах или в готовых сетках и в виде листового проката. Она подвергается ряду механических операций. Вначале арматурная сталь поступает на правку. После правки на специальных станках арматурная сталь подвергается резке. Для этого служат ручные или автоматические станки, работающие по жесткой программе. Затем отмериваются прутки необходимой длины с помощью упоров или протягивающих роликов, механически связанных с конечными выключателями, дающими сигнал на резку. Отрезанные прутки складываются в бункер. После резки прутки идут на гнутье. Гнутье арматурной стали состоит в отгибе стержней, гибке крюков, хомутов, спиралей и арматурных сеток. Эти операции производятся на гибочных станках. Мощные станки для гнутья арматуры диаметром до 90 мм имеют автоматизированное управление, обеспечивающее остановку рабочего органа при достижении заданного угла загиба. Подготовленные прутки арматуры соединяются в требуемую конструкцию сваркой, которая

является наиболее распространенным технологическим методом при изготовлении арматурных сеток и каркасов. Применяются контактная сварка и сварка плавлением. При изготовлении арматуры используют два вида контактной сварки: стыковую и точечную. Стыковой сваркой соединяются стержни диаметром до 90 мм для увеличения их длины. Точечная сварка применяется для соединения пересекающихся стержней в сетках, каркасах и приварки стержней к плоскостям прокатных профилей. Сварочные машины для этой цели бывают с одно- и двухсторонним подводом тока к свариваемому соединению (рис. 3.103). Они могут быть одно– и многоэлектродными, стационарными и переносными, автоматизированными и автоматическими. В состав машины для точечной сварки входят: сварочный трансформатор, переключатель витков его первичной обмотки, контактор (электромагнитный, игнитронный или тиристорный) и электронное управляющее устройство. Энергия от вторичной обмотки трансформатора передается через консольные токоподводы (хоботы) к электродам.

Рис. 3.103. Схемы подвода тока при точечной сварке: а– с одним электродом; б– с двумя электродами

В состав машины для точечной сварки входят: сварочный трансформатор, переключатель витков его первичной обмотки, контактор (электромагнитный, игнитронный или тиристорный) и электронное управляющее устройство. Энергия от вторичной обмотки трансформатора передается через консольные токоподводы (хоботы) к электродам. Верхний электрод перемещается с помощью пневмоцилиндра, а сила нажатия его регулируется давлением воздуха. Пуск машины может выполняться оператором и по сигналу других машин, связанных с ней в поточную линию. В обоих случаях будет выполняться заданная программа процесса сварки. 3.9.1. Автоматическая машина и автоматическая линия для сварки арматурных сеток Для точечной сварки плоских арматурных сеток используют полуавтоматические и автоматические многоэлектродные машины.

Структурная схема управления автоматической сварочной машиной дана на рис. 3.104, а). На каждый электрод в машине имеется пневмоцилиндр ПЦ1 для протяжки продольной арматуры, пневмоцилиндр ПЦ2 для перемещения электрода и обжатия арматуры в точке сварки и один трансформатор с контактором на две точки сварки, так как подвод тока в этой машине односторонний (со стороны свариваемой сетки).Машина работает следующим образом. Сначала дается сигнал на включение всех ПЦ1, которые протягивают продольные стержни на заданный шаг. Затем укладывается стержень поперечной арматуры, автоматически дается сигнал «Пуск», который приходит на электропневматический клапан ПЦ2, и производится обжатие электродами свариваемых стержней. Благодаря самоблокировке все ПЦ2 остаются включенными. Одновременно пусковой сигнал приходит на реле времени РВ1, которое через заданный интервал посылает сигнал на включение контакторов, и начинается процесс сварки. Реле РВ1 одновременно запускает РВ2, которое через интервал времени, необходимый для сварки, выдает сигнал на выключение контакторов и одновременно включает РВ3 и РВ4. РВ3 работает в режиме пульс-пары и подает импульсы на ПЦ2 для кратковременного выключения обжатия. Таким образом осуществляется режим проковки соединения. Конец режима проковки задается реле РВ4, сигнал которого выключает схему, и все ПЦ2 отводят электроды в исходное положение. Затем все операции повторяются. Циклограмма работы машины показана на рис. 3.104, б), а алгоритмы формирования сигналов – на рис. 3.104, в). В качестве примера можно привести автоматическую сварочную машину типа АТМС–14 X 25–7, предназначенную для сварки сеток шириной до 3800 мм. Она имеет 14 сварочных трансформаторов и пневмоцилиндров. На каждом штоке пневмоцилиндра находятся два верхних электрода, под которыми расположены нижние, подключенные ко вторичной обмотке сварочного трансформатора. Напряжение вторичных обмоток сварочных трансформаторов, а следовательно, и ток сварки регулируются изменением числа витков первичной обмотки переключателей ступеней. Трансформаторы включаются игнитронами. При сварке сетки продольные проволоки диаметром от 3 до 12 мм сматываются с бухты, а поперечные – от 3 до 10 мм, заранее заготовленные и уложенные в бункер, установленный сбоку машины, механизмом подачи по одному направляются под электроды, где укладываются на продольные проволоки и прижимаются. Затем происходит одновременная сварка всех точек по заданной программе, которая была ранее рассмотрена. Номинальная мощность машин 500 кВ.А. Вторичное напряжение изменяется ступенчато от 3,6 до 7,2 В. Производительность машины до 4,5 погонных метров сетки в 1 минуту.

Для получения качественного сварного соединения необходим правильный выбор тока и времени сварки. Для каждого из сочетаний свариваемых стержней в зависимости от их диаметра и марки стали существует некоторый диапазон мощности в зоне сварки и времени прохождения сварочного тока. Малая мощность ведет к недогреву зоны сварки, а большая – к выбросу расплавленного металла и ослаблению стержней. Это необходимо знать при расчете длительности процесса и тока сварки, а также при выборе мощности трансформаторов цеховой подстанции. Примерная зависимость между током и временем сварки для стальных стержней разных диаметров показана на рис. 3.105. Процесс изготовления арматурных сеток и каркасов поддается автоматизации. Пример этому – автоматическая линия для сварки арматурных сеток, структурная схема которой показана на рис. 3.106, а). В схеме предусмотрены автоматический, полуавтоматический и наладочный режимы работы. Задачей линии является изготовление непрерывной арматурной сетки, свертывание ее в рулон или резка на куски по заданным размерам и укладка в пакеты, которые направляются на склад.

Рис.3.104. Управление автоматической сварочной машиной: а – структурная схема; б – циклограмма ее работы; в – алгоритмы формирования сигналов

Рис.3.105. Примерные зависимости сварочного тока, времени тока и диаметров свариваемых стержней

В состав линии входят: бухтодержатели продольной и поперечной арматур, правильные машины, машина для стыковой сварки продольной арматуры, машина для резки и укладки поперечных стержней, сварочная многоэлектродная машина, ножницы поперечной резки и пакетировщик, укладывающий арматурные сетки в стопу. Основой линии является многоэлектродная автоматическая сварочная машина, которая настраивается на необходимую ширину сетки и на расстояние между поперечными стержнями. В соответствии с диаметром свариваемой арматуры устанавливается сила сварочного тока и время сварки. Циклограмма работы линии дана на рис.3.106, б). Сигнал «Пуск» подается одновременно на сварочную машину и на машину для резки и укладки поперечных стержней. Последняя протягивает арматурную проволоку с бухты, режет на заданные отрезки и укладывает в бункер. Этот процесс автоматически прекращается, когда число стержней в бункере достигнет заданного. Затем укладчик захватывает стержень, кладет его на продольную арматуру под верхние контакты сварочной машины и дает сигнал на сварку.

Бухта поперечного стержня

Бухта продольного стержня

ИЛИ

а

Укладчик поперечных стержней

Сварочная машина

Сигнал остановки

Сигнал на укладку поперечного стержня

стержень

Продольный

Пуск

Поперечные стержни

сетка

Непрерывная

От датчика числа поперечных стержней

Счетчик поперечных стержней РВ

сетки

Элемент

Т цикла

ИЛИ

Остановка

Ножницы поперечной резки

ИЛИ

Пуск

Рис. 3.106. Автоматическая линия для сварки арматурных сеток: а – структурная схема; б – циклограмма работы

Правка и резка поперечных стержней

Правильная машина

Остановка

ИЛИ

б

t

Поперечная резка сетки

Сварка

Сжатие, сварка, проковка и выдержка продольных и поперечных прутков

Укладка поперечных прутков

Правка и подача продольных прутков

Правка и заготовка поперечных прутков

в стопу

Элемент сетки

Остановка

Пакетировщик

ИЛИ

Пуск

Сварочная машина прижимает своими контактами поперечные стержни к продольным и включает сварочные трансформаторы на установленное время. Затем схемой управления сварочной машиной дается определенная выдержка, и контакты поднимаются. После этого автоматически подается сигнал на включение пневмоцилиндров, которые протягивают продольную арматуру через правильное устройство на установленный шаг. Закончив эту операцию, сварочная машина дает пусковой сигнал на укладчик поперечных стержней, и процесс повторяется по описанной ранее программе. Таким образом, получается непрерывная сетка, поступающая на ножницы поперечной резки. На ножницах имеется датчик числа поперечных стержней, импульсы от которого подаются на счетчик. Длина отрезаемой сетки задается числом поперечных стержней. При заполнении счетчика до заданного числа он выдает сигнал на ножницы поперечной резки, которые делают один рез, и элемент сетки подается на пакетиров щик. Последний по сигналу от ножниц, поступающему через реле времени РВ, укладывает элемент в стопу, которая краном транспортируется на склад. В составе линии могут быть ножницы продольной резки, если необходимо изготовлять более узкие сетки. Элементы ИЛИ, показанные на схеме, позволяют осуществлять автономное управление отдельными агрегатами. 3.9.2. Автоматизация процесса предварительного напряжения арматуры Существуют два способа преднапряжения бетона. По первому способу бетон до укладки в форму обжимают арматурой, растянутой и закрепленной на специальных упорах формы или стенда. После формования изделия и достижения бетоном 70% проектной прочности концы арматуры освобождают от упоров; усилие предварительного напряжения передается на бетонное изделие. При втором способе арматура вводится в канал, устраиваемый до укладки бетона в форму, и после затвердевания его натягивается и закрепляется в торцах изделия. После этого в каналы нагнетается цементный раствор. Арматуру можно натягивать электромеханическим, механическим и электротермическим способами. Первый способ находит применение на заводах сборного железобетона для изготовления плоских изделий, напорных труб, опор для линий передач, где применяют непрерывную

навивку и натяжение арматуры на передвижные или стационарные формы или на упоры стендов. Эта операция выполняется арматурно– навивочноймашиной, которая необходимое усилие в арматуре создает механическим натяжением (30–50% требуемого) и охлаждением навиваемой нагретой током арматуры (70–50%). При механическом способе применяются гидравлические домкраты, грузовые устройства и специальные навивочные машины. Электротермический способ, применяемый для натяжения стержневой и проволочной арматуры, весьма прост и не требует сложных приспособлений. Он основан на удлинении арматуры при ее нагреве электрическим током до температуры 400 ° С. В качестве примера э л е к т р о м е х а н и ч е с к о г о способа н а т я ж е н и я рассмотрим работу арматурно-навивочной машины (рис. 3.107, а), предназначенной для механизированных стендов. Машина представляет собой платформу, которая передвигается по рельсам, уложенным вдоль стенда, и может совершать возвратно-поступательные движения. На платформе установлены: каретка 3, перемещающаяся перпендикулярно движению машины, механизм подачи проволоки П, механизм ее натяжения Н, привод продольного хода машины ПХ и механизм поперечного движения каретки ПД.

Рис. 3.107. Арматурно–навивочная машина: а – конструкция машины; б – структурная схема автоматической стабилизации натяжения проволоки

Машина работает следующим образом. Проволока 14 сматывается с двух бухт 15 и поступает в механизм подачи П через тормозное устройство 13, величина торможения которого регулируется. Проволока через тормозное устройство протаскивается дисками 10, огибая их три-четыре раза. Диски приводятся во вращение отдельным электродвигателем 12 через редуктор 11 и электромагнитную муфту. Далее проволока поступает в механизм натяжения Н, где имеется грузовая клеть 6 со сменными грузами, которая через систему блоков подвешивается на натягиваемой проволоке 7. Грузовая клеть создает постоянное натяжение проволоки и при своем перемещении вверх и вниз воздействует на конечные выключатели, которые управляют включением и выключением электромагнитной муфты механизма подачи. Структурная схема автоматической стабилизации натяжения навиваемой проволоки показана на рис. 3.107, б). Проволока может сматываться с бухты только с помощью механизма подачи, который приводится двигателем М через электромагнитную муфту ЭММ. Когда муфта выключена, проволока не поступает и в процессе навивки расходуется ее запас, имеющийся в механизме натяжения. При этом грузовая клеть поднимается. Когда она достигнет верхнего положения, замыкается конечный выключатель ВК1 и дается сигнал на включение реле ЭММ. Включается ЭММ, и механизм подачи протягивает проволоку с бухты. Грузовая клеть опускается и в нижнем положении размыкает ВК2.

Тогда реле ЭММ выключает муфту, и прекращается подача проволоки с бухты. Таким образом, процесс все время повторяется. Далее проволока идет на каретку поперечной укладки 3, пройдя через которую, крепится на упоре 1 формы. Каретка, предназначенная для поперечной укладки проволоки, имеет механизм передвижения ПД и пиноль 4, представляющий собой пустотелый шпиндель, имеющий на входе и выходе ролики, через которые проходит натягиваемая проволока, поступающая с механизма натяжения. Пиноль перемещается по высоте приводом 2. Участок навиваемой проволоки от выходного ролика 5 механизма натяжения до упора 1 формы, на котором она крепится, нагревается электрическим током от понижающих трансформаторов 9. Таким образом, на упоры формы натягивается нагретая проволока. Натяжение проволоки производится продольным движением машины и поперечным движением каретки. Натяжение продольной и поперечной арматур выполняется оператором, передвигающим машину вдоль формы и каретку поперек нее. Поперечная арматура натягивается при неподвижном состоянии машины механизмом поперечного движения каретки. Сила тока в цепи проволоки при постоянной ее длине автоматически регулируется в зависимости от скорости подачи. Сигнал, связанный со скоростью, поступает от тахогенератора, приводимого движущейся проволокой, и подается на обмотку управления магнитного усилителя, включенного в первичную цепь трансформатора нагрева. Таким путем уменьшается колебание температуры натягиваемой проволоки. По окончании намотки проволока крепится на конечном штыре и отрезается. Процесс намотки арматуры на следующей форме начинается с крепления проволоки на начальном штыре. Все двигатели машины имеют дистанционное управление 8, позволяющее реверсировать передвижение машины и каретки, а также перемещение пиноля по вертикали. М е х а н и ч е с к и й м е т о д н а т я ж е н и я а р м а т у р ы применяется при поточном производстве преднапряженных конструкций. Для этой цели в составе технологической линии имеется стенд натяжения, работа которого может быть автоматизирована. Перед автоматической системой ставится задача соблюдения заданной последовательности включения узлов, входящих в состав стенда, и получения требуемого натяжения арматуры. В состав стенда входят: рольганг, на котором форма устанавливается в исходное положение для натяжения, гидродомкрат с пневматическим захватом пакета арматуры, гидронасос с электродвигателем и контактным манометром, аппаратура управления. Формы, в которых изготовляются изделия, имеют упорные винты с гайками, через которые проходят пакеты арматуры. Гайки вращаются специальным электродвигателем и могут упираться в борт формы.

Структурная схема автоматизированной системы натяжения представлена на рис. 3.108. Система работает следующим образом. При повороте вправо ключа управления КУ включается реле Р2, которое дает питание на электромагнит ЭМ3 привода реверсивного гидрозолотника ГЗН. Последний соединяет магистраль от масляного насоса МН со штоковой полостью гидроцилиндра ПНЦ. Одновременно Р2 включает реле Р3, которое подает питание на ЭМ2 привода пневмозолотника ПЗ3, подающего сжатый воздух на пневмоцилиндр захвата пакета арматуры, а также включает контактор КМН двигателя масляного насоса МН. Масло поступает в штоковую полостью гидроцилиндра ПНЦ, поршень которого перемещается и натягивает арматуру. Усилие в пакете контролируется по манометру КМ в масляной магистрали. После не большого обжатия в форму ставятся закладные детали. Затем снов; запускается масляный насос; когда давление в магистрали достигни заданного значения, манометр КМ замкнет свой контакт и включит реле времени РВ, которое после некоторой выдержки отключает реле Р2, натяжение прекращается. Во время натяжения оператор магнитным пускателем МП включает двигатель Ml, вращающий гайку упорного винта ГУ с тем, чтобы выбрать зазор между гайкой и бортом формы. Если давление в магистрали упадет, контакты манометра КМ разомкнутся, включится реле Р1 и процесс натяжения повторится. По завершению натяжения оператор поворачивает

Рис. 3.108. Структурная схема автоматизированной системы управления стендом для натяжения арматуры

ключ управления влево, благодаря чему включается реле Р1, которое дает питание на ЭМ4, переключающий ПЗЗ на расцепление, и подает сигнал на пуск масляного насоса. После этого система приходит в исходное состояние, и усилие натяжения арматуры передается на упорный винт с гайкой. При повороте ручки КУ в нейтральное положение все цепи отключаются, а стенд готов к повторению – операции натяжения. В схеме могут быть предусмотрены блокировки, ограничивающие ход поршня гидроцилиндра при возвращении стенда в исходное состояние. При электротермическом методе натяжения арматуры к стержням, заложенным в гнезде торцовых стенок формы, подводится электрический ток и они нагреваются до 400 ° С. В результате этого стержни удлиняются и передвигают подвижную опору нагревательного устройства, которая при заданном перемещении воздействует на конечный выключатель, дающий сигнал на выключение тока. При остывании стержни сокращаются, и их подвижный конец фиксируется сидящими на них подвижными муфтами, упирающимися в борт формы. Таким образом, достигается предварительное натяжение стержня. После этого производится формовка изделия. Затем следует термовлажностная обработка, при которой бетон сцепляется с напряженной арматурой и изделие набирает прочность. При 70% проектной прочности выступающие концы стержней обрезаются и обжимающее усилие передается на бетон.

Раздел 4

АВТОМАТИЗАЦИЯ ЗДАНИЙ

4. ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЕ ЗДАНИЕ Современный уровень технических достижений и возросшие потребности людей в новом качестве и условиях безопасного проживания привели к проблеме создания новых жилых зданий, отражающих внешние эстетические формы исполнения и насыщение их современным оборудованием и техникой внутри обитания. С 26 по 29 ноября 2003 г. в Москве, в Гостином Дворе прошла вторая междунаРис. 4.1. Интеллектуальное здание родная выставка «НI-ТЕСН HOUSE 2003. [76] Интеллектуальное здание – умный дом. Управление, автоматизация и эксплуатация зданий и жилых домов», организатором которой выступила Выставочная компания МИДЭКСПО. Интеллектуальное здание – это комплекс мероприятий, связанных с контролем, управлением и регулированием функционирования всех инженерных систем жизнеобеспечения здания или сооружения, а также обеспечение пожаро-, взрывобезопасности и контроля доступа в здание, интегрированных в единую автоматическую систему интеллектуального регулирования. На этапе проектирования систем интеллектуального здания компании, занимающиеся «интеллектуальной автоматизацией», стремятся к максимально эффективному решению триединой задачи владельца здания или инвестора проекта – экономичности, комфорту и безопасности будущего здания. Решение этих задач ещё на уровне проекта значительно облегчает разработчикам обеспечение максимально комфортной жизнедеятельности будущих пользователей. Для того чтобы здание было экономичным в эксплуатации, максимально удобным для работающих в нем людей и безопасным как для персонала, так и для бизнеса или проживания, в современных

автоматических системах интеллектуализации зданий используются энергосберегающее и экологически безопасное оборудование, новейшие технологии управления системами жизнеобеспечения, коммуникаций, связи и безопасности. Но нельзя забывать, что интеллектуальное здание как концепция включает в себя ещё и ряд гуманитарных и этических показателей, таких как эргономика или обеспечение доступного и удобного, оптимизированного для пользования интерфейса управления системами. Это касается как центрального пульта управления (физического и виртуального), так и расположения коммуникаций, узлов и соединений в тех местах, которые бы смогли обеспечить доступ к себе с наибольшим комфортом и для пользователей, и для представителей специальных служб. Существуют также показатели этики и визуализации средств автоматизации, имеющие под собой и национальные, и внутрикорпоративные или внутрисемейные требования. Таким образом, останавливаться только на проектировании комплекса автоматизированных систем для обеспечения нормального функционирования сетей жизнеобеспечения зданий – это признавать, что концепция интеллектуального здания воспринимается сугубо узконаправленно, она профессионально ориентирована только на создание комплекса необходимых мер, связанных с требованиями тех или иных городских и инженерных служб. Прошедшая в Гостином Дворе выставка «НI-ТЕСН НОUSЕ 2003» как раз и ставила на первое место вопрос о концепции, о понимании компаниями и фирмами-разработчиками определения «интеллектуальное здание – умный дом». Большинство экспонатов наглядно показало, что, оторвавшись от непреложного авторитета технических средств автоматизации и инженерных изысканий, они готовы воспринимать этот новый термин, термин XXI века – «интеллектуальное здание» – как ИМЕННО интеграцию ВСЕХ технических, архитектурных и гуманитарных средств обеспечения нормального и комфортного существования человека и дома, и на работе в начинающемся новом высокотехнологичном веке. Прорыв в будущее. Умный дом. Европейская инсталляционная система ВUS (ЕIВ) Основной принцип построения систем ЕIВ заключается в том, что для создания интеллектуального здания не требуется бесчисленного множества проводов, которые необходимы для установки охранной, противопожарной, электрической систем. Для организации функционирования подобных систем требуется только двужильный низковольтный кабель (единая шина данных), прокладка которого намного

проще и экономичнее. Система позволяет подключить к этому кабелю одновременно более 12000 единиц техники. Инсталляция системы EIB состоит из подключенных к единому кабелю сенсоров и активаторов, а также различных блоков логики. С помощью специализированных индивидуальных сигналов каждый сенсор или активатор получает конкретную информацию о состоянии подотчетного ему узла или соединения в единой системе жизнеобеспечения здания. Система управления, основанная на использовании инфракрасных и ВЧ-лучей, может посылать сигналы по различным Рис. 4.2. Система EIB адресатам, в которых объединяются различные устройства: светильники, жалюзи, кондиционеры, регуляторы температур. Управление возможно не только механически, но и голосовой (акустической) командой. Наличествует возможность управлять зданием через сеть Internet, телефон или сотовую связь. Система EIB предусматривает обеспечение комфортабельных и даже элитных условий нахождения в здании или сооружении: это и автоматическая регулировка света и тепла, автоматически отключающая забытые во включенном состоянии электроприборы, оптимизирующая порядок их одновременной работы, осуществляющая регулировку температуры воздуха помещения при срабатывании межрамного датчика на открытие окна, и многое другое. Охранные и противопожарные возможности данной системы отвечают всем современным требованиям: в случае возникновения непредвиденных ситуаций есть возможность смоделировать сценарий поведения дома в зависимости от показаний тех или иных датчиков (протечки воды, силы ветра, уровня освещения, вибрации, движения, пожарно-охранной сигнализации, дождевых и дымовых сенсоров), например, при получении сигнала от датчика протечки воды автоматически отключается электропитание, включается электронасос, перекрывается доступ воды в комнаты, по телефону вызывается бригада сантехников и происходит оповещение хозяев дома. Интеллектуальное жилье – результат интеграции инженерных систем Современные инженерные системы разрабатываются на базе

последних достижений науки и техники и, исходя из этого, являются достаточно сложными и должны учитывать, помимо пожеланий заказчика, разнообразные требования к зданиям и сооружениям, ландшафтному дизайну и т.д. [82, 83] Процесс их создания является многоступенчатым и проходит ряд этапов, начиная с общего замысла и заканчивая сдачей в эксплуатацию. В нем принимают участие, помимо специалистов-разработчиков и монтажников, также заказчик и различные подрядные организации, выполняющие работу по строительству, дизайну, внутренней отделке жилья и т.д. Все участники процесса создания инженерных систем должны знать существо всех этапов создания и свою роль в их реализации. Так, заказчику интересен, прежде всего, учет его пожеланий, а также сроки создания систем. Строительным организациям необходима согласованность инженерных решений с особенностями возводимых ими объектов, а также сроков монтажа оборудования с общими сроками строительства. Дизайнерским бюро требуется учет требований по планировке помещений и внутреннему интерьеру при размещении инженерных коммуникаций и устройств. Интеграция инженерных систем зданий и сооружений диктует создание следующих инженерных систем управления: 1. Управление климатическими системами. Интегрированные в единое целое системы отопления, вентиляции и кондиционирования обеспечивают наиболее комфортные условия, поддерживают необходимую температуру и влажность в разных помещениях здания. Функции управления климатическими системами включают в себя как полный контроль их технического состояния, так и возможность изменения параметров функционирования данных сисРис. 4.3. Климатическая система тем. 2. Управление системами безопасности. Включает в себя создание наиболее эффективной схемы контроля и управления системами видеонаблюдения, контроля доступа, охраны периметра и охранно-пожарной сигнализации, контроля их технического состояния, а также передачу сигнала оповещения или тревоги в любое место по желанию заказчика (мобильный или городской телефон, пульт вневедомственной охраны).

3. Управление аудио-, видеосистемами. Обеспечивает трансляцию аудио- и видеосигнала в любое место вашего дома (включая управление с единого пульта), эффект «следящего звука», а также передачу звукового сигнала оповещения с системы контроля доступа и телефонной станции в любое из помещений здания. 4. Управление освещением. Обеспечивает «следящее» освещение проходных зон, автоматическое включение и выключение освещения по различным сценариям, различные режимы освещения помещений и территории в зависимости от времени суток. 5. Управление электропитанием. Обеспечивает полный контроль перегрузок в сети, включение и выключение электрооборудования, контроль качества электропитания, включение и выключение стабилизированного и аварийного электропитания. Принцип построения интеллектуальных систем по этим параметрам дает следующие преимущества: во-первых, ни утечки газа, воды, ни проникновение посторонних лиц не сможет застать жильца врасплох. Датчики в режиме работы «In real Time» сообщают соответствующим службам и, естественно, пользователям о возникших проблемах и обеспечивают принятие необходимых мер для предотвращения аварийной ситуации до приезда соответствующих специалистов. Во-вторых, это реальная экономия потребляемых энергоресурсов за счет оптимизации алгоритмов работы инженерных систем: сейчас установленные системы вентиляции и кондиционирования не согласуются с алгоритмом работы систем отопления; энергоёмкие системы стаивания льда, дизель-генераторы, устройства стабилизации напряжения не имеют оптимизационных алгоритмов общей работы. Использование предлагаемых технологий позволит не только оптимизировать работу инженерных систем, но и существенно сэкономить при их регулярном использовании. Любой дом. Технологии будущего «Любой дом» – это совместный проект архитектора Марка Товве и группы компаний ICS – представляет собой новый тип здания, основанный на предельно свободном формообразовании и максимальной функциональности, рассчитанной на различные модификации в будущем. Стиль перестает быть доминирующим фактором, на его место приходят функциональность, комфорт, безопасность, соответствие требованиям заказчика, а также контексту. Заказчик, архитектор и инженер участвуют в проекте на равных правах. Роль архитектора заключается в том, чтобы помочь заказчику воплотить свои идеи в форме и создать сценарии стиля жизни, которые будут реализованы интегрированной системой эксплуатации здания. Преградой на пути создания комфортного жилища являются как внеш-

ние факторы (агрессивная среда мегаполиса, неблагоприятная экологическая ситуация), так и внутренние, психологические (стереотипы сознания, нереализованные ассоциации и фантазии человека). Современный город, призванный решить перечисленные проблемы, находится в глубоком кризисе, пути его развития не определены. Новые постройки через 30–40 лет превращаются в памятники истории, а то и в руины. Попытки архитекторов создать развивающийся дом, который бы соответствовал стандартам комфорта через несколько десятилетий, оказались безуспешными. Цель создания проекта «Любой дом» – разработать алгоритм создания функционирования жилища, которое гармонизировало бы внешний и внутренний мир человека, полностью отвечало бы своим функциям и требованиям владельца, гарантировало ему комфорт и безопасность, гармонично взаимодействовало с окружающим, было способно эволюционировать, а также комплексно разрешило противоречия во взаимодействии человека и окружающей среды. Конструктивную основу «любого дома» составляют плита фундамента («платформа»), в которой расположены инженерные коммуникации, и полые колонны («стволы»), распределяющие их по различным объемам постройки. Аморфная форма фундамента позволяет максимально учитывать особенности рельефа, а благодаря свободной расстановке «стволов» – использовать любую инженерную «начинку». Наименьшей единицей «любого дома» является частный коттедж, однако принципы проекта могут применяться и при создании иных количественных (поселок, микрорайон) и качественных (офис, гостиница, фабрика) объектов. В работе над конкретным проектом принимают участие заказчик, архитектор (руководитель проекта), инженер и психолог. Проектирование делится на три этапа («Конструктивная основа», «Ассоциации, формы, функциональность (сценарии)» и «Эволюция»), в процессе которых увеличивается степень детализации здания. Результатом каждой стадии становится структурно законченный дом, представленный в виде компьютерной модели или макета, а также законченной постройки на последнем этапе. Очень важно отметить, что современные компании, занимающиеся проектированием, наладкой и вводом в эксплуатацию систем интеллектуализации зданий и сооружений делают акцент прежде всего на том, что подобные решения необходимо учитывать и вводить в расчеты еще на этапе архитектурного проектирования будущего объекта. Поскольку автоматизация уже существующих зданий, в своем проекте не имеющих заложенных возможностей для развития и модернизации системжизнеобеспечения, многократно усложняется и удорожается.

4.1. Современные инженерные системы Современные инженерные системы разрабатываются на базе последних достижений науки и техники и, исходя из этого, являются достаточно сложными и должны учитывать, помимо пожеланий заказчика, разнообразные требования к зданиям и сооружениям, ландшафтному дизайну и т.д. Процесс их создания является многоступенчатым и проходит ряд этапов, начиная с общего замысла и заканчивая сдачей в эксплуатацию. В нем принимают участие, помимо специалистов-разработчиков и монтажников, также заказчик и различные подрядные организации, выполняющие работы по строительству, Рис. 4.3. Современные инженерные дизайну, внутренней отделке жилья и системы т.д. [82, 83]. Очевидно, что все участники процесса создания инженерных систем должны знать существо всех этапов создания и свою роль в их реализации. Так, заказчику интересен, прежде всего, учет его пожеланий, а также сроки создания систем. Строительным организациям необходима согласованность инженерных решений с особенностями вводимых ими объектов, а также сроков монтажа оборудования с общими сроками строительства. Дизайнерским бюро требуется учет требований по планировке помещений и внутреннему интерьеру при размещении инженерных коммуникаций и устройств. Комплексность заключается в четкой организации всего цикла производственного процесса, включающего следующие этапы: • проведение экспертиз, необходимых для создания инженерных систем на объектах; • подготовка и согласование с заказчиком технического задания на инженерные системы; • проектирование инженерных систем и согласование проектных решений с органами государственного надзора, строителями, архитекторами и дизайнерами; • подготовка и согласование планов по финансированию и монтажу инженерных систем; • поставка оборудования и материалов инженерных систем;

• монтаж и сдача инженерных систем в эксплуатацию; • гарантийное и послегарантийное обслуживание функционирующих инженерных систем; • обучение персонала заказчика правилам эксплуатации установленного оборудования. Одновременно ведутся работы по четкому планированию всего процесса создания инженерных систем. Планируется как процесс создания самих систем исполнителем, так и процесс финансирования работ, приобретения оборудования и материалов заказчиком. Планирование включает в себя: – создание сетевого план-графика в среде Microsoft Project с расчетом необходимых ресурсов и возможных сроков окончания работ; – согласование плана с заказчиком и порядными организациями; – контроль выполнения плана с составлением отчетов и внесением корректировок; – отчет о выполнении плана. При планировании работ по сервисному обслуживанию составляется перечень выполняемых работ и календарный план их выполнения, которые согласовываются с заказчиком при заключении соответствующего договора. Инженерные системы В рамках комплексного подхода создаются следующие инженерные системы: • энергоснабжение и освещение; • котельные и бойлерные; • отопление, водоснабжение и очистка воды; • вентиляция; • кондиционирование; • канализация, дренаж и обогрев наружных поверхностей; • «центральный пылесос»; • видеонаблюдение и охранно-пожарная сигнализация; • контроль доступа и охрана периметра; • телефонная связь, эфирное и спутниковое телевидение; • «Домашний кинотеатр» и «MultiRoom»; • камеры охлаждения и винные погреба; • интегрированная система управления («Умный дом»). Энергоснабжение и освещение В комплексе строительства электромонтажные работы занимают видное место. Они являются одним из завершающих этапов строительства, определяющим сроки ввода объектов в эксплуатацию. На вводе в дом кабель поступает в распределительный шкаф. Там находятся центральный предохранитель дома, общий рубильник,

коннектор нулевого провода, электрический счетчик, устройства различного типа защиты и автоматические прерыватели на каждую группу потребителей. В распределительном шкафу находится и блок заземления, куда подключаются все провода заземления от электроцепей дома. Специалисты осуществляют проектирование и исполнение распределительного шкафа с использованием комплектующих от ведущих мировых производителей, что обеспечивает удобство пользования освещением и электроприборами в доме. Кроме вводного распределительного шкафа выполняются проекты, подбираются комплектующие и монтируются поэтажные щиты электроснабжения, силовые цепи и цепи освещения любой сложности. По желанию заказчика все внутренние электрические цепи коммутируются на общую систему управления домов, что позволяет добиться существенной экономии электроэнергии и значительно повысить комфорт в частном доме или удобство работы на производстве. В связи с компьютеризацией и введением обширных сетей управления в последнее время все более высокие требования предъявляются к качеству электропитания. Для надежной работы электроники очень важны характеристики электрического тока. Эту проблему решает комплексный подход к реализации заданий по проектированию, поставке, монтажу, вводу в эксплуатацию, гарантийному и сервисному обслуживанию систем бесперебойного и аварийного электропитания, а также автоматов ввода резерва любой мощности, включая круглосуточный удаленный мониторинг параметров систем. Отопление и водоснабжение [77] Современный дом – это высокоэффективная и в то же время экономичная система отопления, позволяющая не только чувствовать себя комфортно, но и экономить деньги при ее эксплуатации. Современный дом – это экологичная и удобная система водоснабжения, позволяющая пить воду прямо из-под крана, купать детей, не боясь возникновения аллергии, мыть посуду, стирать и принимать душ, не опасаясь, что бытовая техника или сантехническое оборудование выйдет из строя из-за чересчур жесткой или грязной воды. Это Рис. 4.4. Система водоснабжения возможно при качественном проектировании систем водяного, радиаторного, напольного, воздушного и комбинированного отопления с применением различных типов отопи-

тельных приборов (чугунные, стальные, алюминиевые, биметаллические, медные радиаторы и конвекторы) и трубопроводов (сталь, полипропилен, поперечно сшитый полиэтилен, металлополимерные и медные трубы). Монтаж трубопроводов можно осуществлять как с помощью «обычной» электрогазосварки, так и с применением новейших технологий без использования открытого пламени (разборные, обжимные, компрессионные, паяные соединения). По желанию заказчика возможно устройство системы напольного отопления с использованием электрического нагревательного кабеля ведущих фирм-производителей. Для обогрева помещений, имеющих большие витражные окна и высокие потолки (бассейны, зимние сады и тд.) специалистами разработана уникальная технология обогрева с применением комбинированных схем отопления с принудительным обдувом. Применение различных средств и способов автоматизации управления системой отопления позволяет не только реализовать в полном объеме зональное (покомнатное) регулирование температуры, но и решить проблему «увязки» системы отопления с системами вентиляции и кондиционирования воздуха, т.е. исключить Рис. 4.5. Система отопления неоправданные затраты тепловой энергии, часто возникающие при одновременной (встречной) работе, например, системы отопления и системы кондиционирования. Для оперативной диагностики неисправностей в системах водоснабжения и канализации по желанию заказчика устанавливаются системы предотвращения протечек воды, позволяющие практически исключить затопление помещений в результате аварий. Котельные и бойлерные [80, 84] Котельная может быть оборудована котлами из высококачественной стали, чугуна или серого пластичного чугуна. Котлы, изготовленные из серого пластичного чугуна, имеют практически неограниченный срок службы, сравнимый со сроком «жизни» самого дома. Коэффициент полезного действия этих котлов по реальным замерам приближается к 96%. В зависимости от местных условий котлы могут оснащаться высокоэффективными атмосферными или наддувными горелками. Современные

наддувные горелки устойчиво работают при предельно низких давлениях магистрального газа (менее 5 мБар). Кроме того, такие горелки оснащены мощными системами безопасности и выявления неисправностей (самотестирования), что позволяет не только практически мгновенно определять причины возникающих неполадок, но и принять меры по их устранению. Горелки, работающие и на газе и на дизельном топливе, защищают от перебоев в газоснабжении, т.к. в случае пропадания (отключения) газа горелка автоматически переходит на резервное питание (дизельное топливо), а при появлении газа в магистрали возвращается в штатный режим. При этом Рис. 4.6. Котельная и бойлерная можно даже не знать, на каком виде топлива горелка работает в данный момент. Использование автоматики для управления котельными, бойлерными и тепловыми пунктами позволяет значительно упростить «общение» заказчика со сложной техникой. При наличии специальной службы «умное» оборудование в случае возникновения неполадок в системе само определяет причину неисправности и передает информацию в службу сервиса или непосредственно заказчику на его мобильный телефон в формате SMS-сообщения или голосовой почты. Вентиляция [99] Человек проводит в помещении 85% своего времени, ежедневно вдыхая и выдыхая 20 000 л. воздуха. Наше самочувствие напрямую зависит от того, каким воздухом мы дышим, вот почему нам нужен свежий природный воздух, насыщенный озоном, ионами и фитонцидами. К сожалению, предусмотренная в большинстве жилых поРис. 4.7. Система вентиляции мещений система вентиляции не обеспечивает необходимый для нормальной жизнедеятельности воздухообмен, а при открытой форточке мы получаем загазованность, пыль, шум, сквозняки и резкие перепады температуры.

Устанавливаемое самое современное вентиляционное оборудование обладает очень высокой степенью утилизации тепла (более 80%), что в большинстве случаев позволяет отказаться от дополнительного нагрева приточного воздуха (зимой) или охлаждения (летом), а это, в свою очередь, ведет к значительной экономии энергии. Иногда такое оборудование является единственной возможностью создания системы вентиляции в помещениях. Кроме перечисленных достоинств немаловажное значение имеет возможность отказа от внешнего блока охлаждающей машины и размещение данного оборудования в непосредственной близости от приточно-вытяжной установки. Высокий уровень экологичности оборудования обеспечивается применением малого количества хладоносителя (фреон 407 С), не разрушающего озоновый слой. Применение передовых технологий позволяет размещать высокоэффективное вентиляционно-кондиционерное оборудование в небольших технических помещениях или вне зданий, что значительно увеличивает полезную площадь сооружений. Использование раздельной регулировки подачи воздуха при помощи специального вентиляционного оборудования позволяет добиться оптимального температурного режима в помещениях различного назначения. Особое внимание специалистами уделяется настройке систем по индивидуальным пожеланиям заказчика. Создаваемые климатические системы полностью автоматизированы и могут работать длительное время в необслуживаемом режиме как самостоятельно (без вмешательства человека), так и в составе систем интегрирования управления зданиями и сооружениями. Вентиляция бассейнов В последнее время с увеличением объемов частного строительства все больше внимания стало уделяться сооружению бассейнов. Основной проблемой для этих помещений является высокая относительная влажность воздуха и, как результат, конденсация паров влаги на холодных поверхностях, вызывающая коррозию, гниение матеРис. 4.8. Вентиляция бассейнов риалов и образование грибковой плесени. При решении этой проблемы часто делают ошибку, полагаясь на осушители воздуха, которые на практике могут быть только дополнением к хорошей системе вентиляции.

При подборе вентиляционного оборудования специалистами в первую очередь рассчитывается интенсивность испарения влаги с водной поверхности, а затем на основании полученной величины определяется максимальный объем свежего воздуха, необходимый для подачи в помещение, что позволяет поддерживать относительную влажность на заданном уровне. Это довольно энергоемкий процесс, поэтому желательно утилизировать как можно больше тепловой энергии вытяжного воздуха. Кондиционирование Кондиционирование – немаловажная составляющая комфорта. С этой истиной мало кто поспорит, особенно в жаркие летние дни и холодные осенние (до наступления отопительного сезона). Существует распространенное заблуждение, что любой кондиционер может не только охлаждать или нагревать воздух, но и проветривать помещение. Однако функция подачи свежего воздуха реализована только у канальных кондиционеров. Оконные кондиционеры, а также некоторые модели кассетных и колонных сплит-систем тоже могут осуществлять вентиляцию, хотя и в ограниченных объемах (около 10% от общей производительности). Таким образом, кондиционирование является только хорошим дополнением к системе вентиляции для создания комфортных условий в помещениях. Обогрев наружных поверхностей Антиобледенительные системы появились сравнительно недавно и быстро завоевали признание. Использование этих систем позволяет исключить сколько-нибудь заметное образование наледи в водосточных трубах, желобах, на краю кровли, тротуарах, ступеньках и других местах ее наиболее вероятного появления. Появление наледи опасно по нескольким причинам: • отрыв массивных ледовых масс создает реальную опасность для жизни людей и может стать причиной значительного материального ущерба (повреждение автотранспорта, нижележащих архитектурных элементов); • повышенная механическая нагрузка на элементы кровли из-за накопления льда приводит к сокращению ее срока службы; • задержка воды на поверхности кровли в осенне-весенний период и при оттепелях из-за закрытости водостоков и желобов приводит к протечкам и значительному материальному ущербу; наиболее часто повреждаются жилые этажи непосредственно под кровлей и части фасада здания; • необходимость механической очистки кровли, из-за которой резко снижается срок ее службы. Специалисты проектируют оптимальную для каждого дома систему электрического обогрева, доставляют и монтируют необходимое

оборудование, осуществляют гарантийное и сервисное обслуживание. Внедрение антиобледенительных систем на основе нагревательных кабелей при условии правильного проектирования, учитывающего особенности конструкции кровли, позволяет: - исключить образование наледи и сосулек при сравнительно невысоких капитальных затратах и незначительном энергопотреблении; - обеспечить работоспособность системы организованного водостока в течение зимы и межсезонья; - исключить протечки, повреждение фасадов и водосточных труб. Канализация и дренаж Специалисты по интеграции инженерных систем производят также работы, связанные с проектированием, поставкой, монтажом, гарантийным и сервисным обслуживанием различных систем канализации (естественные, напорные и др.) и систем отвода дождевой воды (дренажа) в дренажные колодцы или фильтрационные поля. По желанию заказчика могут быть установлены канализационные напорные станции, индивидуальные установки очистки фекальных стоков с дальнейшим сбросом очищенной воды в почву через специально оборудованные поля фильтрации. Центральный пылесос За сутки мы вдыхаем вместе с воздухом в среднем около двух столовых ложек пыли. Во время уборки помещений обычным пылесосом в воздухе появляется специфический «пыльный» запах, и у некоторых людей возникают характерные аллергические реакции: воспаление глаз, чихание, заложенность носа, затрудненность дыхания. Но по прошествии нескольких часов эти симптомы исчезают. Одно из предлагаемых решений: Рис. 4.9. Центральный пылесос встроенная система уборки. Суть этого способа уборки помещений заключается в отводе сора и пыли с потоком воздуха по трубопроводу к силовому агрегату, в котором воздух очищается от мусора и затем выводится также по трубопроводу за пределы помещения. В агрегате используется уникальный циклонический метод очистки. Метод предельно прост. Циклоническая система очистки воздуха от мусора и удаление отработанного воздуха за пределы жилой зоны позволяют создать стерильную чистоту в доме. Размещение агрегата в удобном для вас месте избавит от неприятного шума. Кроме того, система позволяет производить влажную

уборку, чистку каминов и сбор воды. Управление агрегатом дистанционное – автоматическое или полуавтоматическое. Система позволяет производить одновременно обслуживание с одной или двух точек одного или двух смежных коттеджей (группы квартир). Пожарно-охранная сигнализация Системы пожарно-охранной сигнализации, которые предлагаются заказчикам, отвечают следующим требованиям: • максимальное обеспечение безопасности охраняемых зданий и сооружений; • многофункциональность и гибкость; • максимальная надежность техники; • возможность интеграции с интегрированными системами управления. Интеграция с интеллектуальными системами управления позволяет в полной мере использовать возможности охранно-пожарной сигнализации (информация о срабатывании датчиков, дистанционный мониторинг и т.п.). Данная информация позволяет решать конкретные задачи по управлению светом, аппаратурой и периферийной техникой. Видеонаблюдение Безопасность обеспечивается своевременным поступлением информации. Говорить о целесообразности применения систем видеонаблюдения нет необходимости. Видеонаблюдение дает уникальную информацию о ситуации на объекте и позволяет принимать адекватное решение. Системы видеонаблюдения вносят важный вклад в общую систему безопасности. Системы видеонаблюдения решают различные задачи: • Видеонаблюдение. Простое наблюдение оператором за Рис. 4.10. Система видеонаблюдения обстановкой на контролируемом участке с помощью нескольких видеокамер. • Видеоконтроль. Видеонаблюдение без участия оператора с автоматической фиксацией на спецвидеомагнитофон. • Видеоохрана. Видеонаблюдение или видеоконтроль с автоматическим обнаружением нарушителя или другого явления при изменении изо-

бражения («картинки») на видеомониторе в контролируемой зоне (детекторы движения). Возможно несколько вариантов систем: как сложных, требующих специальных знаний для эксплуатации, так и простых, ориентированных на обычного пользователя. Контроль доступа Контроль доступа важен для различных объектов: как промышленных (офисных), так и жилых. Среди объектов жилого назначения особую актуальность контроль доступа приобретает в коттеджах, имеющих значительную по сравнению с квартирами общую площадь, а также прилегающую территорию. При разработке систем контроля доступа специалисты активно используют комплексный подход, позволяющий расширить возможности системы за счет ее интеграции со смежными системами и, в частности, с домашними мини-АТС. В качестве примера можно привести следующую схему построения системы контроля доступа. Калитка оборудуется домофоном с видеокамерой, электромеханическим замком и системой дистанционного считывания кодов. Домофон подключается не к специализированному монитору, а к телефонной станции (АТС), которая смонтирована в коттедже для обеспечения нормальной работы телефонной связи в доме. Также к АТС подключен электромеханический замок. При вызове с домофона в доме звонят телефонные аппараты. Подняв трубку, можно поговорить с человеком, находящимся у калитки, и при необходимости, набрав на телефоне код, открыть замок калитки. Для достижения более полного контроля реализуется возможность просмотра изображения с видеокамеры, вмонтированной в домофон, по любому телевизору, находящемуся в доме, или на специализированном мониторе. Специалисты стараются использовать новейшие технические достижения, такие как дистанционные считыватели кодов, работающие со специальными картами Proximity (размером с кредитную карту). Данные устройства значительно повышают удобство пользования электромеханическими замками (особенно в темное время суток и в непогоду), поскольку не требуют механического контакта ключа (карты) с приемным устройством. Интегрированная система управления «Умный дом» Отсутствие профессионального комплексного подхода зачастую ведет к многочисленным проблемам. Установленная система вентиляции и кондиционирования не «подозревает» о существовании и алгоритме работы системы отопления. Энергоемкие системы оттаивания льда, дизель-генераторы, устройства стабилизации напряжения не имеют оптимизационных алгоритмов общей работы. Датчики движения, включающие свет, дублируются датчиками охранной сигнализации. Купленные системы «домашнего кинотеатра» оборачиваются 8–10

пультами дистанционного управления с нетривиальными функциями настройки и эксплуатации. Общей информации о работе всего комплекса установленных инженерных систем нет. Полный мониторинг систем службой технической эксплуатации в таких условиях невозможен. Как следствие – за сообщением диспетчеру об аварии следует подчас дорогостоящий ремонт. Использование предлагаемых выше технологий позволяет не только оптимизировать работу инженерных систем, но и существенно сэкономить при их ежедневном использовании. Самое главное – это позволяет максимально использовать их возможности для обеспечения вашего комфорта. «Цифровой дом», который строит Intel [98] Термины «интеллектуальное здание», «умный дом», «цифровой дом» в последние годы всё чаще появляются на страницах компьютерных, телекоммуникационных и массовых изданий. Правда, в эти словосочетания подчас вкладывается разный смысл. Одни авторы называют так дом, напичканный разнообразными компьютерами, другие подразумевают офис со структурированной кабельной системой, третьи – набор домашних автоматов. Поневоле вспомнишь старую притчу про слепых, которые, ощупывая слона, делиРис. 4.11. «Сетевой дом» с «Улицы лись впечатлениями: у одного он мечты» в Хиллсборо (США) был похож на верёвку (слепец держался за хвост животного), другому напомнил тумбу (он обхватил ногу), третьему – большой лист (а что ещё должно было ему напомнить слоновье ухо?!). Действительно, компьютеры и цифровые аппараты, домашние автоматизированные устройства, кабельная и прочие системы жизнеобеспечения жилища, беспроводной интерфейс передачи данных и управляющих сигналов – всё это, как и многое другое, входит в понятие «цифровой дом», но далеко его не исчерпывает. «цифровой дом» – это нечто большее, чем здание, напичканное самой современной микроэлектроникой. Это концепция. Это философия. Это, если хотите, стиль жизни. В таком доме уютно, комфортно, удобно и безопасно жить. В новом доме, насыщенном вычислительными и коммуникационными устройствами, можно будет эффективно работать, и это существенно повышает привлекательность «цифрового дома» для людей деловых, умеющих

ценить время. В «цифровом доме» можно будет также комфортно творить, так как его «умная начинка» возьмёт на себя львиную долю работ по обработке и передаче созданного контента. В таком доме будет приятно отдыхать, поскольку досуг владельца подобного жилища смогут заполнить любимые компьютерные игры, музыкальные произведения, видеофильмы, слайд-шоу, доступные в любом помещении, в любое время и с помощью любого устройства. Концепция «цифрового дома» предусматривает организацию беспроводной домашней компьютерной сети, обеспечивающей лучшее взаимодействие между цифровыми устройствами, электробытовыми приборами и системами поддержания жизнеобеспечения дома и позволяющей легко ими управлять, а также создавать цифровой контент, распространять его с помощью современных технологий передачи данных и активно использовать в повседневной жизни. Очевидно, что в центре такой сети, объединяющей системы, устройства и приборы, должно находиться мощное ядро – некая универсальная вычислительная платформа, которая сможет обеспечить «взаимопонимание» разнообразной цифровой техники. На сегодняшний день, по мнению корпорации Intel, такой платформой является персональный компьютер (ПК), поскольку ни одно другое устройство не может конкурировать с «персоналкой» по гибкости, произРис. 4.12. Новый дизайн водительности, универсальности, функдомашних компьютеров циональности и прочим характеристикам, важным с точки зрения адаптации концепции «цифрового дома». При этом взаимодействие устройств друг с другом должно строиться на беспроводной основе, поскольку провода не могут предоставить пользователю должной свободы. На прошедшей в январе 2003 г. выставке потребительской электроники (CES) в Лас-Вегасе глава корпорации Intel Крейг Барретт заявил, что новые технологии обеспечат потребителям беспроводной стиль жизни, открывая новые возможности для общения, связи и подключения к источникам информации и развлечений – в любое время, в любом месте, с помощью любого устройства. «Создание беспроводного стиля жизни и устранение проводных соединений – это очередной логический этап развития бытовой электро-

ники», – отметил Крейг Барретт в своём пленарном докладе. Доклад Барретта был посвящен технологическим факторам, формирующим облик рынка, отраслевым инициативам, предоставляющим потребителям возможности беспроводных соединений и обеспечивающим взаимную совместимость домашних компьютерных и бытовых устройств. «Потребителей будут привлекать мобильность, эффективность и стиль, а также новые возможности доступа и получения удовольствия от прослушивания цифровой музыки, просмотра фильмов и фотографий, а также проведения досуга с играми, – отметил Барретт. – Предоставление потребителям беспроводных соединений минимизирует количество физических соединений и побеждает пользователей исследовать новые возможности для работы, жизни и отдыха с помощью легкодоступных и простых в применении технологий». Чтобы возможности беспроводных соединений появились у потребителей как можно быстрее, корпорация Intel расширяет функциональность полупроводниковых компонентов и создаёт новые вычислительные и коммуникационные архитектуры. «Эти разработки направлены на создание беспроводных цифровых устройств с более широкими возможностями и большим кругом потребителей», – сказал Барретт, добавив, что в будущем все электронные устройства Рис. 4.13. Беспроводной планшетный ПК будут наделены коммуникационными и вычислительными функциями. «Потребителям нужны технологии, доступные в любое время и в любом месте», – отметил он. По словам Крейга Барретта, за время, истекшее с момента представления концепции «ПК с расширенными возможностями» на выставке CES два года назад, потребители всего мира получили в своё распоряжение высокопроизводительные ПК, подключённые к Интернету, и возможности повышения с их помощью эффективности использования множества новых цифровых устройств – цифровых фото- и видеокамер, МРЗ-плееров и карманных компьютеров. «Персональный компьютер остаётся самым мощным и универсальным инструментом, доступным рядовому потребителю, а его возможности продолжают расширяться, – заявил Барретт. – ПК освобождается от проводов и оснащается встроенными средствами беспроводной связи, предоставляющими пользователям большую свободу и гибкость». Недаром на

форуме Intel для разработчиков в Сан-Хосе осенью 2002 г. корпорация Intel объявила инициативу Extended Wireless PC «Расширенного беспроводного ПК», сделав очередной шаг на пути к реализации концепции «цифрового дома». В результате деятельности Intel в этом направлении мировое сообщество разработчиков получит ключевые компоненты и инструментальные средства для создания технологий удобной и беспрепятственной передачи цифровой мультимедийной информации с персонального компьютера на телевизоры и аудиосистемы, находящиеся в любых точках жилого дома. На том же осеннем форуме Intel для разработчиков в 2002 году корпорация продемонстрировала новое периферийное устройство для ПК, которое было названо цифровым мультимедийным адаптером, оно позволяет связать между собой персональные компьютеры и устройства бытовой электроники. Это Рис. 4.14. Управляющая панель устройство, подключаемое к телевизору или стереосистеме с помощью стандартных аудио-, видеокабелей, как обычный DVDпроигрыватель или видеомагнитофон, способно принимать цифровые данные с ПК с помощью беспроводной сети 802.11 и технологии UPnP (Universal Plug'n'Play). Сегодня Intel занимает уникальное положение на активно развивающемся рынке технологий для «цифрового дома». Корпорация не только предлагает строительные блоки для создания различных устройств и систем для «цифрового дома», но и фактически возглавила когорту производителей, направивших свои усилия на разработку инструментария и эталонных платформ для «цифрового дома», став лидером нового направления в современной компьютерной индустрии. Так, Intel поддержала инициативу ведущих производителей беспроводных интеллектуальных дисплеев (Smart Displays) – компаний Abocom, Fujitsu, Lite-On, MSI, Philips, Tatung, TriGem и ViewSonic – использовать процессоры с технологией Intel* XScale™ для выпуска новых продуктов, которые обеспечат возможность беспроводного доступа к ПК из любой точки дома. Компании ViewSonic и Philips выпустили в розничную продажу интеллектуальные дисплеи на базе технологии Intel XScale уже в марте 2003 г., позднее в этом году к ним присоединились компании Fujitsu и TriGem.

Интеллектуальные дисплеи представляют собой беспроводные плоскопанельные мониторы, которые могут использоваться как обычные мониторы при подключении к системному блоку ПК, а также играть роль мобильных дисплеев, обеспечивающих доступ к информации и приложениям настольного ПК из любой точки дома с помощью беспроводных сетевых технологий стандарта 802.11. Эти устройства взаимодействуют с домашним ПК, работающим под управлением операционной системы Windows XP, и обеспечивают тот высокий уровень производительности, который необходим интеллектуальным дисплеям для доступа к приложениям и данным, размещенным на базовом ПК. Благодаря низкому энергопотреблению процессоров для обработки приложений с технологией Intel XScale новые устройства отличает длительный срок автономной работы от батарей. На форуме Intel для разработчиков в Сан-Хосе в феврале 2003 г. корпорация Intel представила новые конструктивные компоненты для компьютерной отрасли, приближающие реализацию концепции «цифрового дома». Речь идёт о выпуске эталонных и концептуальных платформ, а также десяти мощных инструментальных комплектов для технологии UPnP. «Мы знаем, что домашние пользователи с нетерпением ожидают времени, когда персональные компьютеры и потребительская электроника будут взаимодействовать надёжно и без сложноРис. 4.15. Структурированная кабельная проводка стей, – отметил Луис Берне, вице-президент и один из генеральных менеджеров подразделения Intel Desktop Platforms Group. – Пользователям нужна возможность беспроблемного переноса информации с персонального компьютера на бытовую электронную аппаратуру и обратно, чтобы использовать её с максимальной эффективностью и пользой для себя, и они ожидают, что именно Intel поможет им в этом. Предоставляя сообществу разработчиков этот новый инструментарий, мы помогаем им проектировать и создавать персональные компьютеры, позволяющие легко и без проблем распространять цифровые мультимедийные материалы в пределах дома». Эталонная платформа Statesboro помогла ОЕМ-производителям и изготовителям системных плат создать уже в 2003 году новые персональные компьютеры, с помощью которых можно просматривать цифровые

фотографии на экране телевизора и слушать цифровые музыкальные записи на домашней стереосистеме. Платформа Statesboro - это демонстрационная платформа, адресованная разработчикам и иллюстрирующая концепцию «цифрового дома». Платформа представляет собой полнофункциональное проверенное решение, включающее все ключевые технологии для поддержки моделей использования «цифрового дома», описанных в документе Desktop Platform Vision Guide за 2003 г. Среди этих технологий процессор Intel Pentium 4 с технологией Hyper-Threading, платформа на базе набора микросхем семейства Intel 865, беспроводной сетевой контроллер стандарта 802.11, жёсткий диск Serial ATA, двухканальная память DDR, накопитель DVD/CD-RW. Другие уровни функциональности «цифрового дома» реализованы в новой концептуальной платформе Powersville. Она обеспечивает беспроводную передачу потокового видео и запись персонального видео, которые стали стандартными функциями домашних ПК в 2004 г. Платформа Powersville создана для наглядной демонстрации возможностей дальнейшего развития отрасли персональных компьютеров. Для ускорения разработки цифровых мультимедийных адаптеров и шатформ ПК для «цифрового дома» корпорация Intel уже сегодня выпускает ряд инструментальных средств для технологии UPnP. Эти инструментальные средства значительно сокращают время разработки устройств и приложений и поддерживают разнообразные операционные системы и среды разработки контента: Device Spy Device Sniffer, Service Author, Device Validator, Device Relay, Network Light, AV Media Controller, AV Wizard, AV Media Server и AV Renderer. Улица мечты Первые попытки создания домашних компьютеризованных помещений компания Intel предприняла ещё несколько лет назад. Концепция «сетевого дома», предложенная Intel, предусматривает проектирование и технологическое оснащение жилищ таким образом, чтобы хозяева могли централизованно управлять всеми установленными в нём приборами и системами: связью, электрообеспечением, бытовой электроникой, спутниковым телевидением, аудио- и видеотехникой, локальной сетью из нескольких персональных компьютеров, подключённых к Интернету, средствами обеспечения безопасности и т.д. Первые образцы таких домов были показаны в демонстрационном салоне, развёрнутом в промышленной зоне Intel в городе Хиллсборо (шт. Орегон), а также в одном из «высокотехнологичных домов», представленных на выставке «2001 Northwest Natural Street of Dreams». Выставка, которую посетило без малого 100 тыс. человек, была организована летом 2001 года в окрестностях Хиллсборо. Инициаторами проекта выступили корпорация Intel и компания RE/МАХ, занимающаяся

операциями с недвижимостью. По заказу корпорации Intel в рамках данного проекта было возведено девять домов, насыщенных новейшими технологическими разработками и сетевыми средствами бытового назначения. Каждый дом был оснащён средствами широкополосного подключения к Интернету. По отзывам посетителей выставки, увиденное произвело на них неизгладимое впечатление. Так, жительница города Портленда Рори Альтман (Rory Altman) была поражена процедурой... мытья посуды в кухонной мойке, где использовалась беспроводная водоотталкивающая клавиатура устройства «IceBox», совмещающая в себе телевизор, подключённый к кабельной сети, проигрыватель DVD-дисков и Интернеттерминал. «Увидав такую кухню, я представила себе, как было бы здорово, сидя за клавиатурой такого устройства, лишь выбирать готовые рецепты приготовления различных блюд, вместо того, чтобы торчать у плиты! – размечталась Рори. – Да и уборка такой кухни, должно быть, выглядит совсем по-другому, если поставить DVD-диск с захватывающим фильмом...» Внимание посетителей выставки привлекли и другие новинки от Intel, установленные на кухнях, в гостиных, спальнях и даже в гаражах на «улице моей мечты». В числе таких устройств – детские игровые компьютерные приставки, Web-планшеты, беспроводная сетевая аппаратура и многие другие приборы, благодаря которым жизнь и работа в таком доме превращается в сплошное удовольствие. Вот отзывы некоторых посетителей: «Меня поразило обилие изначально унифицированной кабельной разводки, хотя самое сильное впечатление произвёл демонстрационный образец домашнего сервера Intel, установленный в доме модели «Prairie Sky». Также меня привлекла возможность программирования собственных цифровых музыкальных композиций с любого из установленных в доме ПК или даже телевизоров», – Джим Старк Qim Stark) из города Портленд (шт. Орегон). «Самой полезной и практичной технологической новинкой для дома является, по-моему, панель на жидких кристаллах, предназначенная одновременно для просмотра телепередач и путешествия по Интернету», – Дэвид Хьюз (David Hughes) из города Лэйк-Осуэго (шт. Орегон). А вот что рассказал один из строителей дома «Casa Dolce» на «улице моей мечты» Рик Лесняк из компании Blazer Development: «Любой из наших домов по просьбе его будущего владельца может быть оборудован структурированной электропроводкой. Объединение всех установленных в доме устройств в невидимую сеть показано на примере основного экспоната «Casa Dolce» – устройства Intel Web Tablet. Посетители были просто очарованы возможностью перемещаться с этим Web-планшетом по

всему дому, оставаясь постоянно подключёнными к Интернету, и, например, отправлять электронные сообщения прямо из-за обеденного стола».

4.2. Системы электротеплоснабжения 4.2.1. Система децентрализованного теплоснабжения на базе автономного теплогенератора В последнее время в строительство интенсивно внедряются системы децентрализованного теплоснабжения. В лаборатории «Основы трансформации тепла» (ОТТ) кафедры ПТС МЭИ испытывалась система, состоящая из автономного вихревого теплогенератора (ВТГ), стандартных батареи и калорифера (рис. 4.16) [77].

Рис. 4.16. Система децентрализованного теплоснабжения на базе автономного теплогенератора

Система была заполнена водой, которая нагревалась в ВТГ и поступала в батарею РссР600х600. Вихревой теплогенератор соединен пластиковыми трубами с батареей и калорифером Кск3-6-50АУЗ. Обратный трубопровод с расходомером ZR01841558 ETW13667-96 соединен с всасывающим патрубком центробежного насоса ВТГ. Температуры и разность температуры на прямом и обратном трубопроводах измерялись термометрами ROCAO-120 и дифференциальной термопарой. ВТГ состоит из вихревой трубы и центробежного насоса с электродвигателем, под-

ключенным к счетчику электроэнергии Дельта DAN2502 АББВЭИ и прибору К-50 для замера тока J, напряжения V и мощности N. Система снабжена переключающей арматурой (трехходовыми кранами и вентилями), которая позволяет осуществлять параллельное включение батареи и калорифера. Испытания проводились следующим образом. Через расширительный бачок система заполнялась водой таким образом, чтобы из нее был удален воздух, что контролировалось по манометру. После этого задатчиком температуры устанавливалась температура воды, подаваемой в систему(50–90 °С), и включался центробежный насос. Время выхода на режим, зависящее от заданной температуры, при заданной t=60 °C составляло tп = 31 мин. Темп повышения температуры составлял θ =1,93 град/мин, разность температур воды в прямой и обратной магистралях – 1,6 °С (Δt = tпp – toбp = 60 – 58,4 = 1,6°С). Время работы центробежного насоса в каждом цикле равнялось 98 с, пауза между включениями – 82 с. Таким образом, продолжительность одного цикла (работа и пауза) составляла 3 мин. Работа системы исследовалась в течение 20 циклов. Система теплоснабжения, как показали испытания, работает устойчиво и в автоматическом режиме поддерживает первоначально заданную температуру 60 °С. Расход воды в пусковой период работы ВТГ составлял Gп=0,78 кг/с , а в рабочий период Gр =0,73 кг/с. Система теплоснабжения работала при последовательном (по воде) включении батареи и калорифера. Эффективность системы оценивается: а) коэффициентом трансформации тепла: М = Q/W, где Q – полная теплопроизводительность системы; W –затраченная электроэнергия. б) КПД = Q · (Kp)q/W = M·(Kp)q, где (Kp)q =1–Тос/ Тв – коэффициент работоспособности тепла, (Kp)q= 1–293/(273+58) = 0,115; Тос=20 °С – температура окружающей среды; Тв – температура нагретой воды. 1) для пускового режима: - Теплопроизводительность системы: Qп= Gп τп Ср Δt=0,78 ·1860 ·1 ·1,1 =1595,9 =1596 ккал, где Ср – теплоемкость воды, 1 Дж/г град; τп – длительность пускового режима, с. - Количество электроэнергии, потребленной электродвигателем: Wп=2,2 кВт/ч =1892 ккал. - Коэффициент трансформации: Mп = Qп/Wп = 1596/1892 = 0,84; - КПДп = Mп-(Kp)q = 0,84 – 0,063 = 0,053 (5,3%). 2) для рабочего режима: - Теплопроизводительность в период работы насоса:

Q1 = GptpCpΔt = 0,73·1960·1·1,6 = 2289,3 ккал. - Электроэнергия, потребленная электродвигателем: Wp = 2 кВт = 1720 ккал. - Коэффициент трансформации: Мр = 2289,3/1720 = 1,33. - КПДр = 1,33 – 0,115 = 0,15 (15%). Полученное значение КПДр = 15% при коэффициенте трансформации Мр = 1,33 не учитывает количество тепла, которое отдается от батареи и калорифера в период отсутствия циркуляции воды τн, т.е. когда центробежный насос не работает (пауза). Однако и в этот период из системы от батареи и калорифера отводится тепло: Q = F·α·Δt·τн, где F = Fб + FK = 10,27 м2 – теплопередающая поверхность батареи и калорифера; α – коэффициент теплопередачи, 10 Вт/м2. Q2= 10,27·10· (58 – 20)·1640·1/4,19 = 1527,5 ккал. Полная теплопроизводительность системы: Qp = Q1 + Q2 = 2289,3 +1527,5 = 3816,8 ккал. Коэффициент трансформации тепла: Мр = Qp/Wp = 3816,8/1720 = 2,22; КПДр = Mp– (Kp)q = 2,22·0,115 = 0,255 (25%). Qд – дополнительное тепло, определенное из энергетического баланса системы: Qд = Qp – Wp = 3816,8 – 1720 = 2096,8 ккал. Выводы: 1. Система работает в автоматическом режиме надежно, стабильно поддерживая заданную температуру воды в подающем трубопроводе. 2. Время выхода на рабочий режим составляет около 30 мин, при температуре в помещении 20 °С. 3. В пусковой период коэффициент трансформации находится в пределах М = 0,84, а КПД = 5,3%. 4. В рабочем режиме коэффициент трансформации находится в пределах М = 1,33 – 2,22, а КПД системы составляет 15 – 25 %. При этом КПД системы теплоснабжения с ТЭНами составляет 15%.

4.2.2. Автоматические котлы пульсирующего горения Реформа ЖКХ высветила многие проблемы, но одной из самых сложных и экономически затратных оказалось отопление. В настоящее время повышение эффективности использования топливно-энергетических ресурсов проводится по следующим направлениям: · перевод котельных на более дешевое топливо (газ); · ликвидация нерентабельных котельных (КПД не превышает 50%) с переводом потребителей на индивидуальное теплоснабжение; ·децентрализация теплоснабжения в экономически оправданных случаях; ·модернизация котельных с использованием современных научнотехнических достижений. Изменения в промышленности, сельском хозяйстве и сфере обслуживания, повлекшие возникновение большого количества малых предприятий и рационализацию теплоэнергетики средних предприятий, обусловили многократное увеличение количества автономных отопительных установок. При этом необходимо решить вопрос экономической целесообразности и извлечь максимальную прибыль. В себестоимость производства тепла входят: затраты на топливо, амортизация, зарплата, ремонтные и эксплуатационные затраты. В этой связи повышенный интерес специалистов вызывают производимые ФГУП «КРЭМЗ» автоматические водогрейные котлы пульсирующего горения мощностью 100 и 400 кВт (рис. 4.17). Это оборудование обеспечивает принципиально новую технологию выработки тепла и радикальное снижение его себестоимости. Новизна котлов заключается в принципе их работы, основанном на периодическом объемном (безфакельном) сжигании газообразного топлива. Используемая принципиально новая технология выработки тепла, достигнутые технические характеристики позволяют утверждать, Рис. 4.17. что котлы пульсирующего горения являются одним из Автоматический наиболее эффективных и безопасных средств решения водогрейный котел задачи отопления и горячего водоснабжения и пульсирующего горения представляют практический интерес для широкого круга потребителей.

Котлы данного типа имеют ряд следующих преимуществ перед традиционными котлами, содержащими факельную горелку: 1. Малые габариты и масса на единицу теплопроизводительности вследствие интенсификации (в 2 раза выше, чем в традиционных) процессов теплообмена в камере сгорания. 2. Предельная простота конструкции, отсутствие горелочного устройства, небольшое сечение дымовой трубы. 3. Высокий КПД (93–95%) независимо от теплопроизводительности котла и минимальное электропотребление (не более 110 Вт). 4. Низкий уровень эмиссии (выброса) вредных веществ (СО, NO, NO2) при работе котла. 5. Высокий уровень пассивной безопасности из-за малого объема, заполняемого газовоздушной смесью, и высокой прочности оболочек. Котлы ПВ имеют столь малые объемы всех полостей, что суммарная энергия аварийного «хлопка» газовоздушной смеси незначительна, а прочность всех элементов конструкции позволяет выдержать избыточное давление при хлопке 16 кг/см2. 6. Высокая надежность, безопасность, предельная простота конструкции, автоматизация работы котлов в сочетании с самодиагносцирующим блоком управления позволяет отказаться от присутствия дежурного персонала. Автоматика котла обеспечивает не только его автоматизированную работу в различных режимах (розжиг, поддержание режима горения и выработки тепла, отключение по командам управления теплопроизводительности и т.д.), но и высокую безопасность при эксплуатации и возникновении внештатных и аварийных ситуаций. С этой целью котлы пульсирующего горения снабжены электрооборудованием, микропроцессорным блоком управления и комплексом датчиков (продувки, горения, температуры и давления теплоносителя, кондуктометрии), которые: · обеспечивают выдачу управляющих сигналов на трансформатор зажигания, электромагнитный клапан и вентилятор для управления розжигом и горением; · предотвращают подачу топлива при неудачных попытках розжига, а также при некондиционном топливе и воздухопитании (если не обеспечивается установленный напор продувки, засорены воздуховоды и газоходы выхлопа либо давление топливного газа за пределами допустимых значений); · не допускают начала розжига при ненадлежащих параметрах теплоносителя в котле и останавливают горение (подачу топлива), если эти параметры вышли за допустимые пределы в процессе работы; · обеспечивают выдачу сигналов и информации о нормальной работе котла и сигнала «тревога» при неполадках, возникших в ходе функционирования.

7. Простота и сокращение сроков монтажа, наладки и ввода в строй за счет высокой степени заводской готовности. Конструкция котла включает схемы автоматики. 8. Возможность строить котельные установки на малых площадях за счет компактного их размещения (например, расположения котлов ПВ-400 друг над другом до двух штук). По требованию заказчика котлы могут комплектоваться блоками автоматического управления (БАУ), предназначенными для управления группой (не более шести) водогрейных котлов, подключенной к единой, общей для всех котлов, системе отопления. Во время работы блок поддерживает в заданном интервале температуру воды в системе отопления, включая или отключая необходимое количество котлов. Заданный интервал температуры устанавливается оператором при настройке системы. Максимальная температура этого интервала устанавливается либо оператором (ручной режим), либо определяется по графику зависимости максимальной температуры от «уличной температуры» (автоматический режим). Это позволяет при использовании ограниченного набора типовых котлов решать разнообразные задачи по отоплению не только отдельных помещений, но и небольших микрорайонов. Принцип действия и конструкцию пульсирующего горения упрощенно можно представить следующим образом. В камеру сгорания через воздушно-пульсирующий и газопульсирующий мембранные клапаны, расположенные в ресиверных камерах, подается топливный газ. С помощью электрозапальной свечи осуществляется первичное воспламенение газовоздушной смеси в камере сгорания и кратковременное повышение давления, приводящее к возникновению акустических волн в резонаторе. Камера сгорания образует объемный акустический резонатор типа резонатора Гельмгольца. Когда давление в камере превышает давление в ресиверах, пульсирующие мембранные клапаны закрываются. При этом дальнейшее поступление газа и воздуха в камеру сгорания приостанавливается. Под избыточным давлением дымовые газы выходят из камеры сгорания и через резонансные трубы и выхлопной коллектор поступают в окружающую среду. Через определенное время (около 20 мс) давление в камере снижается и пульсирующие клапаны открываются, впуская очередную порцию газа и воздуха. Приведенный цикл повторяется с частотой около 35–40 раз в секунду. После установления процесса пульсирующего горения всасывание воздуха происходит благодаря периодическим полуволнам разрежения, а повторное воспламенение свежих порций газовоздушной смеси осуществляется не от свечи, а остаточным пламенем, которое постоянно присутствует в зоне завихрения на свечном конце камеры сгорания.

Процесс пульсирующего горения может продолжаться неограниченное время, пока не будет отключена подача топливного газа. Для включения и отключения подачи топливного газа служит отсечной клапан. Камера сгорания и резонансные трубы окружены водяной рубашкой, по которой противотоком к дымовым газам движется нагреваемая вода. С помощью вентилятора осуществляется продувка камеры сгорания и резонансных труб перед розжигом и после прекращения горения. 4.2.3. Пароутилизаторы – новое слово в энергосбережении Проблемы энергосбережения для предприятий России и стран СНГ в настоящее время чрезвычайно актуальны, так как отсутствие рыночных механизмов в экономике привело к тому, что энергоемкость их производств значительно выше промышленно развитых стран. Так, затраты энергии на производство в химической и нефтехимической промышленностях России на 30 – 60% выше, чем в аналогичных зарубежных производствах. Это связано в том числе и с тем, что неоправданно большое количество низкопотенциального пара (отработанный пар после паровых машин, различного рода технологических процессов, вагоноразмораживателей и т.д.) выбрасывается в атмосферу. Выброс низкопотенциального пара в атмосферу снижает эффективность производства, ухудшает экологическую обстановку, усиливая парниковый эффект. Одним из эффективных способов решения указанных проблем является использование накопленной в паре тепловой энергии для нужд теплоснабжения. Для решения упомянутых задач в 1999 г. А.Ф. Недуговым и МА Куркуповым (ФГУП «Государственный ракетный центр «КБ имени академика В.П. Макеева») были разработаны новые магистральные пароводяные инжекционные теплообменники смесительного типа. В 2004 г. производственное объединение «ХимСтальКомплект» (г.Озерск) приступило к серийному производству их последней модификации [80]. Отличительные особенности пароутилизаторов Совершенно новые устройства, получившие название пароутилизаторы (ПУ), разработаны в процессе совершенствования пароводяных инжекционных теплообменников смесительного типа. Их основное преимущество по сравнению с предыдущими устройствами заключается в возможности оперативной регулировки давления в зоне смешения пара с водой. Это значительно расширяет диапазон использования установок при утилизации низкопотенциального пара за счет расширения допускаемого разброса по расходу нагреваемой воды и снижения потерь напора воды при прохождении через пароутилизатор. Они созданы для нагрева потока воды путем инжектирования пара в водяную магистраль и могут применяться:

· в системах отопления взамен бойлерных установок; · для нагревания воды в системах горячего водоснабжения; · для нагревания исходной воды перед химводоочисткой (замена ПСВ); · для нагревания химочищенной воды (замена ПХВ); · для утилизации низкопотенциального пара после паровых машин. Особенность конструкции пароутилизаторов состоит в том, что на их подводящем паропроводе выполнено смесительное устройство, обеспечивающее получение пароводяной смеси с требуемыми параметрами. Такая предварительная подготовка подаваемого пара обеспечивает возможность реализации ПУ для широкого диапазона расходов, давлений, температур и диаметров трубопроводов. При этом давление пара может быть ниже на 2 – 4 атм, чем в водяной магистрали системы отопления. Основная трудность при создании пароутилизаторов заключалась в исключении вибраций, неизбежно возникающих при подаче пара в воду. На сегодняшний день это внешне простое устройство содержит механизм гашения вибраций. Суть его заключается в том, что в отличие от схожих по назначению аппаратов (самый популярный из них трансоник, разработанный профессором В. Фисенко) в них по прямой магистрали направляется не пар, а вода. В пароутилизаторах в Рис. 4.18. Устройство пароутилизатора водяной магистрали создаётся местное разрежение, в эту область направляется предварительно орошенный водой и достаточно сильно завихренный пар (рис. 4.18). Совместными усилиями центра энергосберегающих технологий Магнитогорского металлургического комбината, кафедры автоматики и управления Южно-Уральского государственного университета и группы разработчиков создан пароутилизатор следующего поколения с автоматической регулировкой температуры нагреваемой воды. Он позволяет уменьшить диапазон разброса температуры воды до + 1 °С (обычно он составляет + 7 °С) и обеспечить адаптацию пароутилизаторов к существующим на предприятиях системам автоматического учёта и контроля потребления энергоресурсов. Сравнительный анализ пароутилизаторов и бойлеров [80] Для нагревания воды в системах водоснабжения и химводоочистки в основном используются пароводяные кожухотрубные подогреватели воды

(бойлеры). В них вода прокачивается через большое количество медных или других тонкостенных трубок, наружная поверхность которых омывается высокопотенциальным паром. Недостатками бойлеров являются высокая стоимость, дорогой ремонт и большая зависимость от качества нагреваемой воды, так как при использовании жесткой воды образуется накипь, которая забивает мелкие трубки и резко снижает КПД бойлеров. Снижение КПД требует увеличения расхода топлива в котельных для обеспечения требуемой температуры нагреваемой воды. Переборка и очистка трубок – очень дорогостоящий и трудоемкий процесс. При использовании ПУ передача тепла осуществляется так называемым «прямым» способом, т.е. пар смешивается с теплоносителем (водой), и его тепловая энергия передается непосредственно воде (КПД ПУ 99% сохраняется в течение срока эксплуатации). В результате пароутилизаторы могут работать и на неочищенной воде, имеющей различные взвеси, при этом не требуют периодической чистки и переработки и обеспечивают стабильность характеристик в процессе длительной эксплуатации. Пароутилизаторы, в отличие от бойлеров и своих предшественников, практически не требуют обслуживания, кроме того, при их внедрении становится ненужной система возврата конденсата. Применение ПУ сводит к минимуму затраты на монтаж, эксплуатацию и текущий ремонт водогрейной системы, уменьшает расход топлива в котельных. Монтаж ПУ заключается во врезке его в паровую и водяную магистрали. Соединение его с магистралями осуществляется стандартными фланцевыми соединениями. Временные затраты на монтаж и подключение составляют около 16 н/ч рабочего времени. Уровень сложности монтажа сравним с установкой задвижек и водяных элеваторов. Возможно использование существующей (установленной вокруг бойлера) трубопроводной арматуры и КИП. К пароутилизаторам можно также отнести пароструйные компрессоры (ПСК). В технологических процессах предприятий нефтехимической отрасли широко используют пар как источник тепловой энерРис. 4.19. Схема включения ПСК гии. Вначале в паровых котлах получают пар с давлением порядка 40 кгс/см2 и температурой 350– 450 °С, затем пар пропускается через редукционно-охлаждающие устройства (РОУ) для получения заданных параметров, используемых далее в

Экономия, тыс.руб.

различных технологических установках. Схема включения ПСК представлена на рис. 4.19. При установке пароутилизаторов достигается ощутимый экономический эффект за счёт: · высокого КПД (99%) нового оборудования; · рационального использования пара, уменьшения потерь тепла, экономии топлива, снижения стоимости гигакалории (общая экономия 20 – 30%); · исключения затрат на текущие и плановые ремонты, на подготовку к зиме (до 70%); ·значительного сокращения затрат в случае замены отслужившего срок изделия; ·вывода из эксплуатации насоса, возвращающего в систему конденсат в существующих системах теплообмена; ·получения дополнительной прибыли при использовании отработанного пара.

Расход воды, т/ч

Рис. 4.20. Зависимость экономического эффекта от расхода воды и КПД заменяемого бойлера

Экономический эффект неоднократно подтверждался на опыте эксплуатации. Так, в 2001 г. магистральный пароводяной инжекционный теплообменник (еще первого поколения!) Ду=300 мм был установлен на Нижнетагильском металлургическом комбинате для утилизации конвертерного пара из котлов-накопителей. Годовой экономический эффект составил 8738000 руб. за один отопительный сезон (за счёт

утилизации 267000 т отработанного конверторного пара). Использование отработанного пара для нагрева воды дало возможность вывести из эксплуатации котельную, обеспечивающую горячее водоснабжение комбината, а это еще больше увеличило экономический эффект. Аналогичные установки работают на следующих предприятиях: «Магнезит» (г. Сатка), Миасский инструментальный завод, ОАО «Уралоргсинтез» (г. Чайковский), ООО «Ставролен» (г. Буденновск) и многих других. Зависимость экономического эффекта от расхода воды и КПД заменяемого бойлера представлена на рис. 4.20. Пароутилизатор может работать во всех климатических регионах России и устанавливаться вне помещений, что позволяет при замене бойлеров получить дополнительные производственные площади. Основные характеристики магистральных пароутилизаторов приведены в табл. 4.1. Таблица 4.1 Типопредставители магистральных пароутилизаторов ТеплопроизРасход пара, Расход воды, водительность, Обозначение по т/ч Гкал/ч т/ч ТУ ** ** УМПЭУ.02.00.000 50 7,3…25 0,2…0,75 0,3…1,2 УМПЭУ.04.00.000 80 19…65 0,57…1,95 0,9…3,2 УМПЭУ.05.00.000 100 28…98 0,8…2,9 1,3…4,8 УМПЭУ.07.00.000 150 63…220 1,8…6,6 3…10,8 УМПЭУ.00.00.000 200 120…420 3,6…12,6 5,9…20,7 УМПЭУ.08.00.000 250 190…660 5,7…19,8 9,3…32,5 УМПЭУ.09.00.000 300 270…940 8…28 13…46 УМПЭУ.11.00.000 400 465..1600 14…48 23…80 УМПЭУ.13.00.000 500 730…2500 22…75 36…123 Примечание. Параметры устройства рассчитываются индивидуально и могут отличаться от представленных в таблице. Температурный интервал подогрева 35 °С. ** – при применении двух последовательно установленных МПЭ-значений. Условный диаметр по воде, мм

Таблица 4.2 Диапазон параметров пароутилизаторов Параметры Условный диаметр водяной магистрали, мм Перепад между давлениями пара и воды, ати Давление пара, ати Расход пара, т/ч Расход воды, т/ч Тепловая мощность, Гкал/ч

min

max

40

500

–2,5

+12

0,15 0,3 7,3 0,2

13 123 2500 75

Проектирование и изготовление устройств осуществляется по параметрам конкретного заказчика. Диапазон параметров приведен в табл. 4.2. Планируемая окупаемость пароутилизатора составляет 5 месяцев при замене бойлеров и 1 месяц при утилизации пара, пароструйного компрессора – 1,5–2 месяца. Ранее такие устройства в России не производились. 4.2.4. Современный взгляд на обычные учетно-распределительные приборы С чем у большинства из нас ассоциируется щиток электроэнергии? Неприглядного вида, иногда развороченная железная конструкция в подъезде, о назначении которой нам известно весьма поверхностно. Мы не задумываемся о существовании такого щита, пока не возникнет проблема с электричеством, после чего сразу же появится необычное ощущение пустоты на привычном месте. Между тем в корне данного слова стоит «щит» (защита). Так что Рис. 4.21. Учетно-распределительный щит же представляет из себя современный квартирный или распределительный щиток [83]? Какие задачи позволяют решать? Трехфазные учетно-распределительные щитки производства концерна «Энергомера» позволяют решать самые сложные задачи в создании систем бесперебойного электропитания жилых помещений. Они обеспечивают: · ввод, распределение и учет электроэнергии в трехфазных сетях переменного тока; · автоматическое отключение цепей нагрузки и щитка в целом при токах перегрузки и коротких замыканиях; · защиту человека от поражения электрическим током и зданий от пожара; · предотвращение безучетного потребления электроэнергии. Щиток может комплектоваться необходимыми устройствами по заказу потребителя.

Из чего можно выбрать? Сегодня концерн, в зависимости от назначения производит разные модификации щитков: однофазные и трехфазные (о них мы поговорим подробнее). Производимые концерном трехфазные щитки можно разделить на учетно-распределительные щитки (ЩКУ-Т и ЩКУ-ЗТ) и распределительные (ЩКР-3). Данные щитки отвечают современным международным требованиям и соответствующим российским нормативным документам. Какими приборами комплектуется? В щитках устанавливается широкий спектр устройств – счетчик, УЗО, автоматы. По отдельным заказам щитки могут быть оснащены ограничителями импульсных напряжении и устройством автоматического подключения ответственной групповой линии к исправной фазе и другими сервисными устройствами. Щитки ЩКУ-Т, ЩКУ-ЗТ комплектуются счетчиком ЦЭ 6803В, но по желанию заказчика их можно укомплектовать микропроцессорным двухтарифным счетчиком ЦЭ 6828. Кроме того, они допускают установку в них других счетчиков с механическим или электронным отсчетным устройством. Трехфазные электронные счётчики серий ЦЭ 6803 В и ЦЭ 6828 принадлежат к поколению последних разработок концерна. Эти счетчики отличаются широким диапазоном рабочих температур, позволяющим устанавливать их в неотапливаемых помещениях, стабильностью точностных характеристик, малой потребляемой мощностью, высоким уровнем унификации. Трёхфазный микропроцессорный двухтарифный счётчик электрической энергии нового поколения серии ЦЭ 6828 обладает расширенными функциональными возможностями. Так, например, он позволяет организовать многотарифный учёт электроэнергии (ставший неотъемлемой частью современной экономики) в быту, на предприятиях энергетики и промышленности, делает возможным автоматическое считывание и архивацию расчётных параметров, легко встраивается в информационноизмерительные системы АСКУЭ. Монтаж щитка и его комплектующих Представленные модификации щитков могут устанавливаться на стене (ЩКУ-Т) либо в нише (ЩКУ 3, ЩКУ 3-Т, ЩКР 3). Вся аппаратура устанавливается на съемной раме, что обеспечивает удобство при монтаже и установке щитка. Крепление крышки к установленному в нише корпусу на винтах позволяет легко производить ее установку даже на неровной поверхности стены. Такие особенности трехфазных учетно-распределительных щитков «Энергомера», как удобство в работе, соответствие современному уровню развития технологий, оптимальное соотношение

«цена/качество» делают их незаменимыми компонентами приборного учета для любого потребителя электроэнергии. В качестве заключения можно сказать, что применение современных учетно-распределительных приборов сегодня уже говорит об уровне жизни человека. И человек, который сегодня сталкивается с выбором жилого или производственного объекта, будет руководствоваться в первую очередь не ценой, а предпочтет перейти на следующий уровень – конкуренции ценностей, причастности к некоему образу жизни. Поэтому Концерн «Энергомера» сегодня нацелен на разработку всей производимой им продукции с учетом комфорта, безопасности и эстетики и ежедневно претворяет эту политику в жизнь, обеспечивая частичку нового уровня жизни. 4.2.5. Тиристорный регулятор как средство экономии в нагревательных системах Оборудование, напрямую преобразующее электрическую энергию в тепло, имеется практически во всех отраслях народного хозяйства – электропечи пищевых предприятий, электрокотлы в жилищно-коммунальном хозяйстве, электротермические установки в различных отраслях промышленности. Несмотря на повышение стоимости энергии, эффективность использования энергоресурсов в России до сих пор остается недопустимо низкой. Поэтому ограничение мощности, потребляемой электрооборудованием, – первостепенная задача практического энергосбережения. Невозможно качественно решить задачу управления мощностью, применяя так называемое релейное регулирование, имеющее на предприятиях определенное распространение. Релейный принцип регулирования нагрузки содержит известные «издержки», это невысокая точность установки уровня напряжения, переходные процессы в электрических цепях и колебания напряжения, высокие эксплуатационные затраты на обслуживание релейно-контакторных схем. Кроме того, современные технологические процессы на предприятиях требуют высокой точности регулирования в привязке к параметрам технологических процессов в реальном масштабе времени. Любое электрооборудование имеет максимальный ресурс (срок эксплуатации) только при условии ограничения отклонений (колебаний) напряжения питающей сети в допустимых пределах. Таким образом, для эффективного управления электрической нагрузкой следует применять непрерывные законы регулирования, воплощенные в бесконтактных устройствах – тиристорных регуляторах напряжения (ТРН). Эксплуатационные затраты на такие системы минимизируются за счет надежности основного элемента

– тиристора с токовым управлением или оптотиристора. Следует отметить, что оптотиристор уступает тиристору только в диапазоне токов до 160 А, а по показателям безопасности в эксплуатации, стабильности и дешевизны схемы управления оптотиристор имеет лучшие характеристики. Реальная экономия средств в электроустановках напряжением 0,4 кВ может быть получена при использовании ТРН на базе оптотиристорных модулей с цифровой системой управления и стабилизации. [92] Опыт внедрения этих устройств пришелся на период становления в России новой экономики, в конце 90-х годов XX века. В 1997 г. кировское предприятие «Энергис» приступило к выпуску ТРН с применением модульных оптотиристоров и цифровой системой управления на импортных компонентах. Основными требованиями при разработке оборудования стали необходимость иметь гибкую конфигурацию, применимость для решения различных задач регулирования и ограничения электрической нагрузки питающей сети. Разработанный ТРН предназначен для плавного регулирования действующего напряжения на активной, активно-индуктивной нагрузке вручную или дистанционно в стандартной сети напряжением 220/380 В с частотой 50 Гц. Область применения – управление нагревательными установками различного назначения, а также осветительными установками с лампами накаливания. Функции, реализованные в ТРН: регулирование напряжения в каждой фазе раздельно (или совместно) в % от номинального входного напряжения. Эта функция реализуется вручную кнопками (регулятором) на панели управления ТРН или дистанционно внешним токовым сигналом. Принцип работы регулятора ТРН основан на изменении угла отпирания силовых тиристоров α, величина которого определяется в зависимости от величины внешнего управляющего сигнала, подаваемого на вход ТРН. Преимущества применения ТРН основаны на конструктивных особенностях изделия: 1) блочно-модульная схема ТРН доступна при наладке и обслуживании и, более того, допускает замену блоков без дополнительной регулировки; 2) защита настроек ТРН исключает последствия вмешательства или несанкционированного отключения сети; 3) дистанционное управление ТРН допускает раздельное регулирование в фазах (группы нагревателей, линии освещения и т.д.); 4) пусконаладочные работы с ТРН доступны электромонтеру средней квалификации, выполняющему требования Правил техники безопасности в электроустановках до 1000 В.

Практическое применение разработанные терморегуляторы напряжения ТРН нашли на разных предприятиях России. На предприятии «Аврора-ЭЛМА» (г.Волгоград) для производства пьезокерамических элементов применяются электропечи с особыми характеристиками. Особенность этих печей состоит в применяемых нагревательных элементах полупроводникового типа. Для управления температурой при запуске необходимо глубокое регулирование напряжения на нагревательном элементе. Для этих целей было применено 15 регуляторов ТРН с максимальным током 160 А, управляемых дистанционно от ШИМ регулятора. Применение данной системы позволило исключить сверхвысокие пусковые токи электропечи и обеспечить следящий режим регулирования температуры рабочей зоны. В химическом производстве, производстве полимеров ТРН обычно применяются для точного регулирования тепловых характеристик компонентов и готовой продукции, как это реализовано на предприятии «КОМИНТЭКС» при производстве полимерных строительных материалов и линолеумов.

4.3. Технология комплексного теплового неразрушающего контроля зданий и строительных сооружений. Опыт и современная теория В сентябре 2003 г. Правительство России утвердило «Энергетическую стратегию России на период до 2020 г.». Одной из основных целей государства в данной сфере является достижение намеченных стратегических ориентиров роста энергоэффективности путем ужесточения требований к энергосбережению, контроля энергопотребления, установления стандартов энергопотребления и предельных норм энергопотерь, обязательной сертификации энергопотребляющих объектов. Важным направлением государственной политики становится поддержка специализированного бизнеса в области энергосбережения, пока слабо развитого в России. Это позволит сформировать экономических агентов (энергосервисные и энергосберегающие компании), реализующих оптимальные научные, проектно-технологические и производственные решения, направленные на снижение энергоемкости продукции и услуг. Одним их важнейших направлений энергосбережения является обеспечение высокого качества тепловой изоляции наружных ограждающих конструкций и соблюдение норм энергопотерь и энергоэффективности при проектировании, строительстве и эксплуатации зданий. Как показывают исследования, по этой причине сверхнормативно теряется до 40% энергии, расходуемой на отопление зданий [78].

Определяющими теплотехническими характеристиками качества строительства являются: в первую очередь величина приведенного сопротивления теплопередаче ограждающей конструкции здания (например, для стен здания норматив фактического приведенного сопротивления в зависимости от требуемого удельного расхода тепловой энергии установлен в пределах 2,3–3,7 м2 °С/Вт), положение точки росы и плоскости промерзания, а также промежуток времени, в течение которого возможно функционирование здания при аварийном отключении теплоснабжения и др. В настоящее время эти характеристики определяются, как правило, на стадии проектирования объекта расчетным путем. Однако эти результаты имеют весьма большую погрешность и не отражают фактические эксплуатационные характеристики строительной конструкции, так как не учитывают наиболее важный этап между проектированием и эксплуатацией – этап строительства, на котором проектные характеристики конструкции могут быть существенно искажены как в лучшую, так и в худшую сторону. Многолетний опыт практической работы Технологического института энергетических обследований, диагностики и неразрушающего контроля «ВЕМО» по тепловизионному обследованию зданий и строительных конструкций показывает, что, по крайней мере, треть сдаваемых в эксплуатацию зданий и строительных сооружений не соответствует существующим нормам по энергопотерям и энергосбережению. При этом проекты всех сооружений прошли все необходимые обязательные экспертизы и соответствуют строительным нормам. Это происходит по той причине, что в процессе строительства, как показывает опыт обследований, часто происходят отступления от проектной документации и технологий строительства, замены стройматериалов и др. Для определения фактического состояния характеристик строительных объектов, Технологическим институтом «ВЕМО» разработана и внедрена в практику технология комплексного теплового (тепловизионного) обследования зданий и строительных сооружений в реальных условиях их эксплуатации (в летний и зимний периоды), включающая в себя: · энергетические обследования строительных конструкций с определением приведенного сопротивления теплопередаче по стенам и окнам, выявлением и локализацией зон и участков сверхнормативных тепловых потерь; · определение положения точки росы и плоскости промерзания; · время охлаждения внутреннего воздуха здания при отключениях, отказах и авариях системы теплоснабжения (с определением максимально возможного времени остывания);

· определение необходимой толщины утеплителя на участках сверхнормативных теплопотерь. На рис. 4.22 в качестве примера приведены усредненные зависимости влияния величины сопротивления теплопередаче наружной ограждающей конструкции на ее теплопотери и энергоэффективность.

Рис. 4.22. Графики зависимости теплопотерь от начального сопротивления теплоотдаче

Порядок контроля приведенного сопротивления теплопередаче определен в ГОСТ 26629-85. Однако изложенная в нем методика измерений по ряду объективных причин и в первую очередь вследствие нестационарного характера теплопередачи в ограждающей конструкции, трудно применима на практике. Причем погрешность измерений в некоторых случаях может достигать 400% и более. Технологическим институтом «ВЕМО» разработаны методика и комплекс программно-аппаратных средств определения приведенного сопротивления теплопередаче наружных ограждающих конструкций строительных сооружений в реальных условиях их эксплуатации, исключающие вышеназванные недостатки. В основе методики лежит решение обратной задачи теплового неразрушающего контроля в многослойной пространственной области с подобластями, имитирующими дефекты, в условиях нестационарного процесса теплопередачи. Обратная задача теплового контроля сводится к задаче на поиск экстремума (минимума) следующего «функционала правдоподобия» [интегрирование ведется по некоторому интервалу времени (0, t)]:

t

Ф(Q ) = ò [U 0 (t ) - U ( t ,Q )]2 dt 0

,

(4.1)

где Q – набор параметров. Решение обратной задачи в общем виде опирается на решение прямой задачи в следующем смысле: необходимо так подобрать параметры исследуемого объекта, чтобы его рассчитанная «реакция» [некоторая функция времени U(τ))] оказалась по возможности более близка к измеренной «реакции» U0(τ). Близость понимается в смысле близости в функциональном пространстве (пространстве функций, удовлетворяющих некоторым условиям гладкости). Полученное реальное значение приведенного сопротивления теплопередаче с соответствующими, определенными экспериментально путем измерений на исследуемом объекте, начальными и граничными условиями лежит в основе метода определения положения точки росы и плоскости промерзания, теплового состояния строительной конструкции при отказах и аварийном отключении системы теплоснабжения (с определением максимально допустимого интервала времени отключения). Проблема анализа движения фронта промерзания (или оттаивания) влаги, содержащейся в наружных ограждениях здания, и координаты точки росы имеет большое практическое значение, так как непосредственно связана с вопросами ресурса и долговечности ограждающих конструкций, определения их эксплуатационного тепловлажностного режима и фактического сопротивления теплопередаче. Последний фактор определяет теплопотери и энергоэффективность здания. В зоне перемещения фронта промерзания создаются крайне неблагоприятные условия эксплуатации строительных материалов вследствие циклического процесса чередования замерзания и оттаивания влаги, что постепенно приводит к снижению прочности а в конечном счете и к возможному разрушению строительной конструкции. Анализ процесса промерзания рассматривается как задача, в которой изменение агрегатного состояния внутриконструкционной влаги (фазовый переход «вода – лед») происходит при определенной температуре Тк (температуре замерзания), т.е. имеется четкая изотермическая граница, отделяющая области агрегатного состояния внутриконструкционной влаги в виде льда и жидкости. Для определения координат границы раздела фаз «вода–лед» решается система из двух уравнений нестационарной теплопроводности, соответственно для областей жидкой и твердой фаз влаги, и, помимо граничных условий на поверхности тела, дополнительно задаются два условия на границе раздела фаз. Например, в одномерной постановке:

1. Теплового баланса: dx ¶T ¶T x = xk + 0 ) = Lv k . l1 (x = xk - 0) - l2 ( ¶x ¶x dt

(4.2)

2. Равенства температур: Т1(х=хк–0)=Т2(х=хк+0)=Тк .

(4.3)

Первый член уравнения (4.2) выражает плотность теплового потока S1, который отводится от границы раздела фаз через область тела, с влагой в твердой фазе (лед); второй член – плотность теплового потока S2, поступающего к границе раздела фаз из области с влагой в жидкой фазе (вода). Задача в такой формулировке называется задачей Стефана о перемещении границы раздела фаз. В качестве примера, иллюстрирующего возможности разработанного метода, на рис. 4.23 приведен график изменения положения фронта промерзания для двух типов однородных стен – кирпичной и из пенополистирола. Температура на внешней поверхности стены принимается равной Тп= –20 °С, температура внутренней поверхности Т0=20 °С, температура замерзания влаги Тк=0°С. Из графика видно, что кирпичная стена толщиной 0,2 м полностью промерзнет менее чем за 1,5 суток.

Рис. 4.23. Движение границы промерзания в однородной стене из кирпича и пенополистерола с учетом эффектов скачка теплоемкости на границе

Одной из крайне важных характеристик жилых зданий является время охлаждения внутреннего воздуха здания в различных

метеорологических условиях (температура наружного воздуха, скорость ветра, влажность) при частичном ограничении либо отключении системы теплоснабжения вследствие ее отказа или аварии. В течение этого времени необходимо провести ремонтные работы и включить систему отопления либо обеспечить слив теплоносителя из системы отопления для исключения возможного ее размораживания. В основе методики определения времени охлаждения внутреннего воздуха здания лежит математическая модель, описывающая процесс нестационарной теплопередачи в наружных и внутренних ограждающих конструкциях, цокольном этаже и чердачном помещении здания с учетом граничных и начальных условий и внутренних источников энергии. В предлагаемой постановке тепловое состояние здания при отключении системы отопления в зимний период определяется расчетно-экспериментальным методом. Методика включает совместное решение системы n дифференциальных уравнений нестационарной теплопроводности в частных производных и связывающей их системы (n–1) обыкновенных дифференциальных уравнений теплового баланса с учетом соответствующих граничных и начальных условий. Одна из систем дифференциальных уравнений нестационарной теплопроводности описывает процесс теплопередачи в наружных ограждающих

Рис. 4.24. Комплексный тепловизионный контроль зданий и строительных конструкций

конструкциях здания, другие (n–1) системы дифференциальных уравнений нестационарной теплопроводности описывают процесс теплопередачи в наружных ограждающих конструкциях цокольной и чердачной частей, во внутренних конструкциях здания и т.д. Температура внутреннего воздуха в различных частях здания определяется решением системы обыкновенных дифференциальных уравнений текущего теплового баланса воздуха во внутреннем объеме дома с учетом внутренних источников энергии (внутреннее тепловыделение). Размерность системы – количество дифференциальных уравнений – определяется сложностью обследуемой строительной конструкции здания и требуемой точностью получения результатов. Таким образом, произведя экспериментальные, в т.ч. тепловизионные, обследования и расчетно-теоретический анализ полученных данных по разработанным методикам, определяются основные теплотехнические характеристики наружных ограждающих конструкций в эксплуатационных условиях. На рис. 4.24 приведена структурная схема технологии комплексного обследования зданий и строительных конструкций. Она включает три основных этапа: Этап 1. Получение и регистрация первичной информации с контролируемого объекта в реальных условиях его эксплуатации: характеристики строительных конструкций, температурные «истории» конструкций контролируемого объекта и окружающей среды, термограммы объекта и его реперных зон, метеорологические данные и т.п. и ее предварительная компьютерная обработка. Этап 2. Определение теплотехнических характеристик обследуеРис. 4.25. Объект обследования: общий мого объекта (приведенное вид фасадной части Константиновского сопротивление теплопередаче по дворца, С.-Петербург, Стрельня стенам и окнам, положение точки росы и плоскости промерзания, тепловое состояние строительной конструкции при отключении системы теплоснабжения с определением максимально допустимого времени отключения). Этап 3. Итоговый анализ материалов обследования, подготовка отчетных материалов и заключений с оформлением вкладыша к энергетическому паспорту здания.

Все методики теплового (тепловизионного) обследования зданий и строительных сооружений утверждены Департаментом государственного энергетического надзора Минэнерго РФ, Мосгосэнергонадзором и аттестованы Госстандартом РФ. Достоверность и надежность методик подтверждена трехлетним опытом работы по ним более 10 специализированных энергоаудиторских организаций при обследовании почти 300 строительных объектов. Выводы: 1. Впервые решена задача комплексного теплового (тепловизионного) неразрушающего контроля и диагностики технического состояния строительных сооружений с определением численных значений их теплотехнических характеристик в реальных условиях эксплуатации, а именно: · сопротивление теплопередаче в каждой точке и приведенное сопротивление теплопередаче наружных ограждающих конструкций; · приведенное сопротивление теплопередаче светопрозрачных конструкций – окон и светопрозрачных стен; · местоположение точки росы и плоскости промерзания в наружных ограждающих конструкциях; · тепловое состояние строительной конструкции при отключении системы отопления (с определением максимально возможного времени отключения). 2. Разработаны (не имеющие мировых аналогов) технологии и методики теплового неразрушающего контроля строительных конструкций, обеспечивающие определение их фактических теплотехнических характеристик в реальных условиях эксплуатации в различных климатических условиях, в т.ч. в зимний и летний периоды. Созданные методики обеспечивают определение численных значений теплотехнических характеристик с погрешностью не более 10 – 15%, имеют соответствующие сертификаты Госстандарта РФ и признаны Госэнергонадзором РФ и Минэнерго РФ как базовые для определения теплотехнического качества строительства и показателей энергоэффективности строительных конструкций. 3. Все методики реализованы в виде соответствующей технологической документации и программного обеспечения с использованием стандартных измерительных и вычислительных средств. Методики контроля разработаны во исполнение федеральной целевой программы «Энергоэффективная экономика» (раздел «Энергоэффективность ЖКХ») по поручению Госстроя РФ и Госэнергонадзора России и являются одним из инструментов исполнения «Энергетической стратегии России на период до 2020 г.». Современная теория и технология теплового неразрушающего контроля [78]

В настоящее время актуальной является задача определения качества и оперативная достоверная диагностика технического состояния материалов и конструкций изделий, в т.ч. в реальных условиях их эксплуатации. Тепловой неразрушающий контроль в силу своей специфики (бесконтактности, возможности контроля объектов в процессе их испытаний и штатной эксплуатации, высокой информативности и т.п.) позволяет эффективно решать эту задачу. Качественно новые возможности теплового контроля связаны с переходом от тепловой дефектоскопии (обнаружения внутренних дефектов) к тепловой дефектометрии (определению численных характеристик внутренних нарушений сплошности) и далее к оценке остаточного ресурса объектов. Количественный анализ температурных полей с определением характеристик исследуемого объекта (геометрических, теплотехнических, теплофизических) строится на расчетных моделях, связанных с решением обратной задачи теплопроводности. Она формулируется в виде задачи на экстремум «функционала правдоподобия». Постановка и решение прямой и обратной задач теплового неразрушающего контроля Решение обратной задачи в общем виде опирается на решение прямой задачи в следующем смысле: необходимо так подобрать параметры исследуемого объекта, чтобы его посчитанная реакция [некоторая функция времени U(τ)] оказалась по возможности более близка к измеренной реакции U0(τ). Близость понимается в смысле близости в функциональном пространстве (пространстве функций, удовлетворяющих некоторым условиям гладкости). Эту близость можно измерять с помощью разных метрик, мы же будем пользоваться среднеквадратичной (4.4) по причине простоты последней: t

F [ U ] = ò [U 0 ( t )-U ( t )]2 ¶t .

(4.4)

0

Доказано существование и единственность решения обратных задач (быть может, в ограниченной области пространства параметров), т.е. обеспечено наличие экстремума (4.4) . В функционале (4.4) выделим зависимость от параметров для реакции U0(t), тем самым превратив его в функцию, минимум которой в пространстве этих параметров необходимо определить. Функционал (4.4) приведем к виду (Θ – набор параметров)

t

F (Q ) = ò [U 0 ( t ) - U ( t ,Q )] ¶t . 2

(4.5)

0

Для решения обратных задач будем использовать метод движения по градиенту:

dQ i ¶F ( Q ) =, ¶Q i dt

(4.6)

где набор координат Θ – совокупность параметров (теплофизических характеристик, см. ниже); τ – некоторый параметр, играющий роль времени. Для практического использования (4.6) необходимо численно определять все производные (как частные, так и полные), поскольку (4.6) фактически задает нам итерационную процедуру поиска минимума. Система по принятой в теории колебаний классификации является автономной диссипативной динамической системой, заданной потоком. Если решение (4.4) существует, то система (4.6) обязана обладать неподвижной «притягивающей» особой точкой. Таким образом, можно разложить правую часть (4.6) до первого по отклонению члена вблизи неподвижной точки:

dQi ¶ 2F ( Q 0 ) = ( Qi - Q 0j ). dt ¶Qi ¶Q j

(4.7)

Выделим из всего множества переменных Θ те, явная зависимость от которых известна, и обозначим их через φ, прочие переменные – через Ψ. Таким образом, Ф(Θ) перейдет в Ф(φ, Ψ). Частные производные Ф(φ, Ψ) по переменным Ф нетрудно посчитать аналитически, потребовав (в силу поиска экстремума) их обнуления. Для динамической системы (4.6) это соответствует выражению

¶F ( j ,Y ) dj i == 0. dt ¶j i

(4.8)

Тем самым эффективно понижена размерность исходной системы на то количество переменных, аналитическая зависимость от которых нам теперь известна. На языке вариационного исчисления это означает, что при переходе от (4.6) к (4.8) на исходную систему наложен ряд связей, которые

формально обеспечили бесконечно быстрое движение по направлениям, задаваемым бесконечно малыми приращениями параметров, зависимость от которых известна (аналогично известному классу задач теоретической механики о свободном движении, стесненном голономными связями). Как известно, постановка прямой задачи теплопроводности основывается на законе сохранения энергии, записанном в виде уравнения непрерывности

¶Q( r ,t ) + divJ ( r , t ) = 0 , ¶t

(4.9)

где Q(r,t) и J(r,t) – соответственно объемная плотность тепловой энергии и плотность теплового потока,

Q( r ,t ) = r ( r ) × Cr ( r ) × T ( r ,t ) ;

J ( r , t ) = -l ( r )

¶T ( r ,t ) , ¶r

(4.10)

здесь T(r,t) – температура; ρ(r) – плотность среды; С ρ (r) – ее удельная теплоемкость; λ(r) – теплопроводность. Три последние величины и относятся к теплофизическим (локальным) характеристикам, на практике же в основном определяют теплопроводность. Часто эти характеристики являются кусочно-постоянными функциями координат. Таким образом, решая прямое уравнение теплопроводности (4.9), подставляя решение в (4.5) и подбирая параметры в соответствии с вышеизложенным, определяются параметры, реализующие экстремум (4.4). Для упрощения математического описания без сокращения общности результатов примем, что дефект описывается одним параметром X. Для этого случая показано, что задача тепловой дефектометрии приводится к виду

F [Tn ( l ,a 0 ,t )] = ò [Tn ( l ,a 0 ,t ) - Ta ( t )] dt . t

0

2

(4.11)

При возможности аналитического решения задачи определения Tn ( l ,a 0 ,t ) (прямой задачи теплопроводности) функционал (4.11) превращается в функцию относительно теплофизических параметров (4.5). Искомые характеристики определяются нахождением глобального минимума. Проведя несложные математические преобразования, можно записать

F [Tn ( t )] º F ( a 0 , l ) = +

1 t 2 J ( l ,t )dt + 2 ò n

a0

0

t 2 t J ( , ) [ T ( ) T ( ) ] d [T0 ( t )-Ta ( t )]2 dt . l t t t t + ò ò n 0 a a0 0 0

(4.12 )

Экстремум (4.12) по искомой переменной (фактически этот экстремум условный) определяется путем приравнивая частной производной по соответствующему аргументу нулю с учетом (4.8). Например, по переменной α0: t

a0( l ) =

2

ò J n ( l ,t )dt

0 t

ò J n ( l ,t )[T0 ( t )-Ta ( t )]dt

.

(4.13)

0

Таким образом, задача свелась к нахождению минимума функции Ф(λ, α0(λ)). Минимум этой функции (уже безусловный) определяется простым перебором: решая прямую задачу теплопроводности для достаточно большого набора λ, выделяют глобальный минимум. Описанный выше алгоритм позволяет определять численные значения областей внутренних нарушений сплошности на основе решения обратной задачи ТНК. Оценка достоверности результатов теплового неразрушающего контроля. Принципиально важной задачей при серийном обследовании большого количества различных по конструкции объектов в реальных условиях их эксплуатации является оперативная оценка достоверности контроля. Обычно для решения этой проблемы применяются лабораторные исследования с использованием специальных камер. Например, фрагмент исследуемого образца устанавливается на границе холодного и теплого отсеков термокамеры и создаются необходимые заранее определенные температурные режимы. Далее оценивается достоверность результатов. При всех очевидных преимуществах этот подход обладает существенными недостатками, не позволяющими широко использовать его на практике. Рассмотрим решение данной задачи путем аналитического (в частности статистического) рассмотрения погрешностей при экспериментальных данных. Исследования проводились на примере одного из параметров, описывающих интегральную (по толщине) характеристику теплозащиты объекта контроля – сопротивление теплопередаче. Не нарушая общность исследо-

ваний, это позволило значительно повысить наглядность получаемых результатов при существенном упрощении математического аппарата. Сопротивление теплопередаче k-го типа образца в любой точке поверхности рассчитывается в соответствии с разработанным выше методом тепловой дефектометрии. Интегральная характеристика всей конструкции, например приведенное сопротивление теплопередаче в целом зависит лишь от удельного веса разных участков и формулу для его определения можно представить в виде n

R -1 = å Ri-1wi i =1

n

å wi = 1 ,

i =1

(4.14)

где суммирование идет по типам материалов; w – удельные веса; n – общее число типов материалов. Последнее выражение (4.14) – условие нормировки. Однако на практике наблюдаются отклонения (при использовании заявленных значений параметров). Более того, как показывает опыт, сопротивление теплопередаче Rk становится функцией положения на образце. Это происходит вследствие изменений в технологии производства, разных режимов эксплуатации и т.п. В то же время на процесс измерения оказывают воздействие множество факторов, регулярный учет которых практически невозможен (например, порывы ветра, изменение влажности и т.п.). Таким образом, причины отличия проектного значения приведенного сопротивления от реального (где по причинам, указанным выше, необходимо ввести соответствующие поправки) и возникновения погрешностей при измерении носят слабо контролируемый и труднообозримый характер. В силу этого введем предположение, что обе процедуры – измерения сопротивлений и заявления их проектных значений – имеют случайные характеристики. Таким образом, оправданным является вероятностная интерпретация обеих указанных процедур. Рассмотрим следующую вероятностную модель. Пусть случайная величина ζ – измеренное значение сопротивления теплопередаче (4.14), η – та же величина, заявленная проектной организацией. Отметим, что эти величины можно считать состоящими из двух компонент: Ror – истинное значение сопротивления и флуктуационные компоненты (т.е. собственно те добавки, которые обеспечивают случайность). Выделение флуктуационных компонент (считающихся независимыми от истинного сопротивления Ror) вызвано необходимостью учета статистики ошибок вне зависимости от особенностей конкретного объекта.

Таким образом, примем, что статистика ошибок не зависит от объекта, т.е. их наличие является свойством именно методик измерения и проектирования. Будем считать, что функция распределения (плотность вероятности) результатов измерения равна Р(ζ), плотность же вероятности для значения приведенного сопротивления, заявляемого проектной организацией, обозначим через Q(η). Плотность вероятности получения при измерении результата ζ и одновременно для проектной организации заявления приведенного сопротивления η выражается через плотность совместной вероятности W(ζ, η) (т.н. теорема умножения вероятностей):

W ( x ,h ) = W ( x | h )Q( h ),

(4.15)

где введена плотность условной вероятности W(ζ,| η) – плотность вероятности получить в результате измерения ζ, при условии, что заявленное приведенное сопротивление η. Легко видеть, что связь между Р(ζ) и W(ζ, η) [а в силу (4.15) и Q(η)] следующая:

P( x ) = ò W ( x ,h )dh = ò W ( x |h )Q( h )dh ,

(4.16)

здесь интегрирование ведется по допустимым значениям соответствующих аргументов. Случайные величины η и ζ, не независимы, это будет показано ниже. Функции распределения (4.15) и (4.16) нормированы на единицу. Построим гистограмму отстроек измеренных сопротивлений от заявленных, т.е. η – ζ , тем самым исключается трудность в отношении различий истинных сопротивлений Ror для разных объектов, они сократятся при вычитании (рис. 4.26). Далее отметим, что гистограмма на рис. 4.26 приближает вид плотности условной вероятности W(η|ζ). Предполагая, что флуктуации не за висят от истинного значения Ror, объявляется, что не существует выделенных значений сопротивлений, и условная вероятность может зависеть лишь от разности (η – ζ). С другой стороны, это требование (независимости характера флуктуации от объекта) фактически означает, что результат усреднения по ансамблю объектов не отличается от усреднения по многократно проведенным измерениям на одном объекте. Тем самым по анализу данных о ряде объектов можно судить о методике измерения в целом. Далее, сама процедура измерений обеспечивает получение именно W(η|ζ). Ведь перед проведением теплового контроля имеется информация о сопротивлении, заявленном в проекте на контролируемый объект, т.е. о η.

N(η – ζ) (η – ζ) Рис. 4.26. Гистограмм отстроек измеренных сопротивлений теплопередаче (η – ζ) от заявленных

Аппроксимируем гистограмму экспоненциальным распределением:

W ( x |h ) =

1 h -x exp( )Q ( h - x ) , u u

(4.17)

где u – характерный масштаб спадания (декремент); Θ(х) – ступенчатая функция Хевисайда (1 при х > 0 и 0 при прочих значениях аргумента). Введем следующие предположения относительно функции распределения Θ(η). Пусть она будет аналогична по виду W(η|ζ). Таким образом, Q(η ) запишется в виде

1 h-R Q(h ) = exp( )Q ( h - R ) , v v

(4.18)

где v - характерный масштаб спадания. Пусть вероятность значения сопротивления, лежащего в сегменте r r [Ro – Rδ, Ro + Rδ], равна ε, где δ – допустимое относительное отклонение. Тогда, интегрируя (4.18) по указанному сегменту, можно в явном виде получить v:

v= -

dR . ln( 1-e )

(4.19)

Таким образом, вычисляя интеграл (4.16) с учетом (4.17) и (4.18), нетрудно получить явный вид функции распределения для результатов измерения Р(ζ):

R -z ì exp ) ( ï v ,z > R; ï u v + ïï P( z ) = í ï z -R ï exp( ) u ï ,z £ R. ïî u + v

(4.20)

Далее получим средние значения и дисперсии плотностей вероятностей (4.20) и (4.19). Для заявленных проектных значений сопротивлений для среднего и значений дисперсии соответственно из (4.18) имеем

h = R + v;

s 2 (h ) = v2 .

(4.21)

Для значений сопротивлений, полученных в результате измерений, среднее и дисперсия из (4.20) запишется в виде

z = R + v - u ; s 2 (h ) = u 2 + v2 .

(4.22)

Выражения (4.21) и (4.22) позволяют нам оценить достоверность методики ТНК конструкций с помощью подсчета относительной погрешности

E=

v-u . R

(4.23)

Таким образом, предложенный метод позволяет оперативно оценивать достоверность результатов теплового неразрушающего контроля элементов строительных конструкций в реальных условиях их эксплуатации. Созданный метод тепловой дефектометрии позволил значительно расширить область применения теплового неразрушающего контроля конструкций различных отраслей промышленности.

4.4. Перспективные мониторинги 4.4.1. Мониторинг технического состояния строительных конструкций

Предлагается новый метод оценки технических показателей надежности строительных конструкций, основанный на обработке малого объема экспериментальных данных на основе нормированной статистики. Решение задач по обеспечению безопасности эксплуатируемых зданий и сооружений возможно при широком внедрении мониторинга технического состояния строительных конструкций с выявлением, анализом и прогнозированием процессов изменений проектных параметров в результате силового и несилового (температурного, влажностного и коррозионно-агрессивного) воздействия. Анализ результатов выполненных авторами обследований технического состояния железобетонных конструкций, эксплуатирующихся в условиях агрессивного воздействия несилового разрушения конструкций, показал значительное снижение нормативного срока эксплуатации. Причем обследования проводятся, как правило, когда повреждения конструкций становятся значительными. Организация и проведение обследований конструкций в условиях действующих производств представляет большую сложность из-за плохой доступности конструкций, небезопасности работ по обследованию и т. д. Поэтому в результате обследований удается получить недостаточный объем информации. Выполнялись обследования технического состояния строительных конструкций гальванического цеха (три обследования через 3,5 – 5 лет) – фиксировали параметры коррозийного повреждения железобетонных конструкций: глубину карбонизации бетона защитного слоя, глубину разрушения бетона защитного слоя, ширину раскрытия коррозийных трещин, ориентированных вдоль стержней рабочей арматуры. Полученные данные представлены в табл. 4.3. В настоящее время выбор модели осуществляется по внешней форме, соответствующей характеру статистических данных, с использованием метода выборочных распределений и метода гистограмм. Существуют методы выбора модели, основанные на числовых характеристиках закона распределения, таких как метод моментов, метод, основанный на использовании контрэксцесса и энтропийного коэффициента. Данные подходы не всегда могут описать структурные различия между реальным объектом и моделью, ставящейся в соответствие данному объекту. При этом аналитические выражения, полученные при использовании данных подходов, достаточно сложны и громоздки. В работе предлагается метод восстановления законов распределения, основанный на свойствах распределений, приведенных к интервалу [0,1], который сводится к приведению выборочных распределений к интервалу [0,1], с последующим вычислением статистических индикаторов по формулам

Ù n Ù m x = å xi / n; =i 1

Ù

IE =

e

n

e å ( xi - m x ) / n .

=i 1

Таблица 4.3

Для выбора класса моделирующей функции используется автоматизированная система, внешний вид модели и рассчитанные статистические индикаторы. Моделирующая функция подбирается по наименьшему расхождению между теоретическими и выборочными распределениями, то есть различию собственных индикаторов моделей и исходных статистических индикаторов выборочных данных в пространстве моментов. Результаты статистических исследований железобетонных конструкций представлены в табл. 4.3. Аналитические выражения закона распределения изучаемых выборок экспериментальных данных, полученные с использованием метода

восстановления закона распределения на основе нормирования статистических данных, позволили получить следующие закономерности распределения измеряемых величин (рис. 4.27).

Рис. 4.27. Внешний вид моделирующих функций для трех наблюдений глубины коррозийного повреждения бетона

Исходные параметры технического состояния железобетонных конструкций, использованные при построении моделей, представлены временным рядом. На базе полученной модели можно осуществлять мониторинг накапливаемых изменений состояния материала и прогноз будущего поведения случайного процесса, рассчитывая значение показателя для следующих моментов времени.

Рис. 4.28. Линии тренда наблюдаемых параметров

Общая закономерность изменения параметра глубины коррозийного повреждения говорит о линейном законе нарастания изменений (рис. 4.28), однако детальное рассмотрение процесса, а именно построение моделей распределения вероятности измеряемых данных, показывает, что даже при трех измерениях можно заметить существенные различия в моделирующих функциях, которые могут свидетельствовать об изменении структурных свойств случайного процесса. 4.4.2. Методы обнаружения и мониторинга развития трещин в строительных конструкциях

Одним из основных показателей, характеризующих различные стадии разрушения зданий и сооружений, является наличие в элементах конструкций трещин. Основным критерием оценки влияния трещин на элементы строительных конструкций, и в первую очередь несущих, является степень снижения их прочности. Методы обнаружения трещин Рис. 4.29. Оптоволоконный эндоскоп (любых дефектов) в строительных конструкциях основаны на том, что физические параметры материала и дефекта отличаются друг от друга и установление этого различия тем или иным способом позволяет судить о наличии дефекта в обследуемой конструкции. Разнообразие параметров, несущих информацию о существовании дефектов, обусловило разработку большого числа способов их обнаружения, однако они все различаются информативностью, точностью, стоимостью приборов, трудоемкостью измерения и обработки данных, опытом применения, поэтому для решения каждой конкретной задачи (в частности оценки разных категорий состояния зданий) целесообразно подбирать оптимальные методы и средства контроля. Визуальные методы могут быть реализованы путем внешнего осмотра конструкций без специальных приспособлений. Минимальный размер обнаруживаемой трещины в этом случае зависит от характера обследуемой поверхности, уровня яркости, контраста освещенности между объектом обследования и фоном, индивидуальных особенностей и опыта оператора и составляет около 0,2 мм. Другой путь реализации визуального метода – осмотр объекта обследования с помощью оптических приборов (линзы с нанесенной сеткой, зеркала, эндоскопы, микроскопы). Зеркала и гибкие эндоскопы с волоконным световодом (рис. 4.29) и мощным источником света (до 200 Вт) позволяют осуществлять контроль труднодоступных или невозможных для наблюдения снаружи элементов конструкций и существенно снизить размер обнаруживаемой трещины (до 15 – 30 мкм). На рис. 4.30 показана схема оптоволоконного эндоскопа. Переднюю часть световодов можно дистанционно изгибать до ± 120°. Рабочая длина эндоскопа – до 3 м. Оптоволоконные эндоскопы могут быть укомплектованы миниатюрной видеокамерой с памятью на 10 – 40 кадров.

Для наблюдения за развитием трещин в их зоне могут быть установлены так называемые маяки из свежего гипса размером 100x25 мм, располагаемые перпендикулярно трещине. При развитии трещины маяки разрываются, что видно без специальных средств.

Рис. 4.30. Схема лазерного эндоскопа

Капиллярные методы основаны на проникновении индикаторных жидкостей (пенетрантов) при нанесении их на поверхность объекта обследования в неплотности материалов и наблюдении образующихся индикаторных следов. Капиллярный метод позволяет обнаруживать невидимые или слабовидимые невооруженным глазом микротрещины в объектах обследования, определить расположение микротрещин и их протяженность. Капиллярные методы можно применять не только на бетонных и каменных, но и на металлических конструкциях. Изображение, образованное пенетрантом («индикаторный рисунок» или «индикаторный след» – в применении к единичной трещине), может появиться только в случае, если глубина трещины превышает ширину ее раскрытия. В зависимости от способа выявления индикаторного рисунка капиллярные методы разделяют на: яркостные, при которых наблюдают контраст ахроматического рисунка в видимом глазом излучении на фоне поверхности объекта обследования; цветные, при которых наблюдают контраст цветного изображения на фоне поверхности; люминесцентные, основанные на наблюдении контраста видимого под действием ультрафиолетового излучения индикаторного рисунка. Недостатком последнего метода является необходимость в источнике ультрафиолетового излучения и затемнении места наблюдения, что осложняет процедуру обследования. Исторически первый капиллярный метод – «керосиновую пробу» – применяют и сейчас. При этом методе поверхность с предполагаемыми трещинами смачивают керосином (пенетрантом), а затем для проявления трещин поверхность объекта обследования покрывают мелом

(проявителем). Керосин просачивается в слой мела, вызывая его потемнение, которое достаточно хорошо видно при дневном свете. Специальные материалы для осуществления обследования капиллярным методом выпускают в виде наборов, содержащих очистители, используемые как для предварительной очистки поверхности объекта обследования, так и для удаления излишков пенетранта с обследуемой поверхности; пенетрантов специальных для бетона и камня с ярко-розовым цветом при обычном освещении и флюоресцирующие при УФ-освещении; проявители, предназначенные для извлечения индикаторного пенетранта из полости несплошности и образования четкого индикаторного рисунка. Наборы средней чувствительности позволяют определить микротрещины с раскрытием более 1 мкм. Наборы пониженной чувствительности индицируют трещины с раскрытием более 100 мкм. Электропотенциальный метод. При пропускании через объект обследования тока в объекте создается электрическое поле. Геометрическое место точек с равным потенциалом составляет Рис. 4.31. Эквипотенциальные эквипотенциальные линии (рис. 4.31). линии при отсутствии (а) и На рисунке показано распределение наличии трещины (б) эквипотенциальных линий при отсутствии (рис. 4.31, а) и наличии трещины (рис. 4.31, б). Разность потенциалов зависит от объемной электропроводности объекта, геометрических размеров, наличия трещин. Для реализации метода применяют т.н. четырехэлектродную схему измерений. С помощью двух из них (токоподводящих) к контролируемому участку объекта обследования подводят ток, два других электрода – измерительные, с их помощью измеряют разность потенциалов на определенной базе. По величине разности потенциалов можно судить о глубине обнаруженной трещины. Препятствием для применения этого метода измерения глубины трещин в бетонных и каменных конструкциях является неоднородность этих материалов, сильное влияние арматуры в железобетонных конструкциях, влияние неоднородной влажности, известная сложность реализации метода – создание надежных контактов с поверхностью объекта обследования. Вместе с тем при обследовании металлокон-

струкций можно без особых затруднений измерять глубины трещин до 100...120 мм. Метод прогораемых полос. На объект обследования из бетона или камня наносят лаковую полосу (водная эмульсия порошкового серебра и синтетической смолы), которая не хрупка, а ее сопротивление при размерах 0,5x10x300 мм приблизительно 10 Ом. Через полосу пропускают ток около 10А. Выделяющееся при этом тепло передается поверхности объекта обследования. Там, где имеются трещины, резко уменьшается теплопроводность между лаковой полосой и поверхностью объекта обследования, в результате участок лаковой полосы разогревается и прогорает. Если после этого увеличить напряжение, подводимое к полосе, происходит дугообразование в зоне прогара, в связи с чем размер прогара существенно увеличится, став видимым невооруженным глазом. Как показали эксперименты, этим методом можно обнаружить трещины с шириной раскрытия порядка 10 мкм. Ширина раскрытия уже имеющихся в объекте обследования трещин не должна превышать 100 мкм, в противном случае лак проникает в трещину, снижая электрическое сопротивление участка полосы в зоне трещины, что препятствует прогоранию полосы. Метод разрываемых датчиков. Применяются наклеиваемые на объект обследования датчики, выполненные из тонкой медной эмалированной проволоки (20 – 50 мкм) или в виде узкой фольговой полоски из константана, подвергнутого отжигу при специальном режиме. Полоски могут иметь различную форму (рис. 4.32). Константановая фольга приклеена к лаковой основе. Технология производства таких датчиков подобна технологии изготовления фольговых тензорезисторов. В основе ее лежит фотохимический процесс, позволяющий получать Рис. 4.32. Разрываемые датчики датчики с чувствительными элементами любой формы. Нити датчиков имеют ширину 0,15...0,5 мм и толщину 10...15 мкм. Датчики приклеивают перпендикулярно предполагаемому направлению трещины. При образовании трещины или ее развитии происходит обрыв проволоки или фольги, что может быть дистанционно зарегистрировано простейшей электрической схемой. Датчики из фольговых нитей позволяют предсказывать усталостные повреждения объектов обследования,

т.к. у этих датчиков происходит резкое изменение сопротивления при определенном числе циклов нагружения объекта обследования. Ультразвуковой метод. Используются известные в строительстве импульсные ультразвуковые приборы. Для обнаружения трещин и их глубин в бетоне обычно применяют поверхностное прозвучивание. База – расстояние между ультразвуковыми датчиками – обычно составляет 120...400 мм. О наличии трещины свидетельствует изменение времени распространения ультразвуковых колебаний на базе измерения. Для обнаружения трещин удобнее использовать приборы с датчиками на фиксированной базе и сухим контактом (рис. 4.33). Рис. 4.33. Ультразвуковой тестер При заметном увеличении времени распространения ультразвукового сигнала, свидетельствующего о трещине, может быть установлена ее глубина. Для этого трещина должна располагаться под центром базы установки датчиков (рис. 4.34). Глубину трещины определяют по соотношению l h= 2

æ tд çç è t0

2

ö ÷÷ - 1 , ø

Рис. 4.34. Расчетная схема определения глубины трещины

где l – база установки датчиков; tд , t0 – время распространения ультразвуковых колебаний в бетоне на базе l при наличии и отсутствии дефекта (трещины). Метод акустической эмиссии. Метод базируется на оценке процесса излучения волн напряжения, обусловленного возникновением и развитием дефектов структуры материала объекта обследования. Анализ параметров акустической эмиссии позволяет обнаруживать различные дефекты, оценивать их размеры и степень опасности, прогнозировать уровень разрушающей нагрузки и ресурс строительных конструкций. Основную информацию о возникновении дефекта содержит амплитуда импульса акустической эмиссии. Строительные материалы, как правило, отличаются довольно большим затуханием сигналов ультразвуковых частот, поэтому можно воспринимать сигналы акустической эмиссии в зоне, ограниченной радиусом 2...5 м. Появившийся и развивающийся дефект обследуемой

конструкции излучает импульсы акустической эмиссии, с помощью нескольких разнесенных датчиков можно определить местоположение источника сигнала (дефекта). Один из недостатков метода – довольно высокая стоимость приборов для оценки акустической эмиссии, поэтому их используют не часто. При выборе методов обнаружения трещин и их развитии нужно учитывать следующие показатели: · разрешающую способность методов и средств; · возможность дистанционного наблюдения и регистрации показаний; · трудоемкость установки датчиков; · пригодность для мониторинга конструкций оценивается надежностью (безотказность, сохраняемость, соответствие срока службы требуемой длительности мониторинга); · стоимость датчиков и вторичных средств измерения. 4.4.3. Перспективный мониторинг и управление объектами ЖКХ и системами безопасности Бурное развитие мобильной связи стандарта GSM обратило на себя пристальное внимание разработчиков автоматизированных систем. Сама технология построения сотовых сетей и заложенные в ней сервисы позволяют с высокой степенью надежности и достоверности передавать данные от объектов контроля к диспетчерским системам, при этом «не заботясь» об обеспечении самой инфраструктуры сети связи [86]. На базе устройств GSM-связи создана система «ADA», которая может контролировать жильё и служебные помещения, функциоРис. 4.35. Система «ADA» нирование объектов ЖКХ, а также дистанционно управлять исполнительными устройствами при возникновении внештатных ситуаций. Информация с датчиков, счетчиков расхода воды и электроэнергии может поступать как по запросу диспетчера, так и автоматически в заданные моменты времени на центральный процессор

системы «ADA», а оттуда – в единый расчетный центр, который будет определять стоимость услуг каждого отдельного потребителя. При этом единый расчётный центр будет принимать не написанные от руки данные, а точные сведения, снимаемые со счетчиков автоматически, без участия человека, что существенно повысит точность и достоверность используемой информации. Система «ADA» размещается в отдельном блоке (рис. 4.35). Блок монтируется в непосредственной близости от контролируемого объекта. В блоке находится источник питания от сети переменного тока – 220 В, обеспечивающий бесперебойную работу системы при отсутствии сетевого напряжения питания за счёт введения в его состав аккумуляторной батареи. Для автоматической подзарядки аккумуляторной батареи в составе устройства присутствует узел автоматической подзарядки, который отключается при достижении достаточного уровня зарядки аккумуляторной батареи. Для автоматического отключения прибора при снижении напряжения на аккумуляторной батарее (при её разрядке) ниже заданного критического уровня существует узел отключения работы системы от аккумулятора. Все состояния, происходящие в системе питания, фиксируются в основной памяти процессора, а критические (пропадание напряжения и полный разряд аккумулятора) передаются на компьютер диспетчера. Основной блок включает в себя также часы реального времени с независимым автономным питанием, поэтому период, в который устройство находилось без основного питания, также будет известен диспетчеру. Допуск к работе системы осуществляется с помощью пароля, устанавливаемого либо вручную с клавиатуры, либо по команде диспетчера. С помощью встроенной системы меню производится гибкая настройка системы на конкретные виды подключаемых датчиков и исполнительных устройств, определяются списки потребителей информации с возможностью сортировки и приоритетов её получения. После конфигурирования системы производится установка в режим эксплуатации. Информация, сформированная в процессоре, отправляется на передающее устройство, в качестве которого применён сотовый телефон. Рассматриваемая система использует только официальные услуги и тарифные планы, представляемые операторами сотовой связи, а также сотовые аппараты, либо отдельные модули GSM-модемов, предлагаемые к продаже в официальной торговой сети, без каких-либо доработок как в конструктивной части, так и в программном обеспечении. Прием информации осуществляется на сотовый телефон, возможно, другой модели, подключённый к персональному компьютеру. Обработка

поступающей информации производится при помощи программного обеспечения «АРМ диспетчер», входящего в состав системы. Функциональные возможности системы «ADA»: · получение данных со счетчиков расхода воды и электроэнергии, установленных на объектах, используя GSM-модуль как в автоматическом, так и в ручном режиме; · ведение полного архива полученных данных по расходу электроэнергии, тепла и холодной воды за весь период работы по каждому контролируемому объекту; · формирование и выдача отчетов в установленной форме по расходу электроэнергии, теплой и холодной воды за заданный период по каждому контролируемому объекту; · получение информации о срабатывании датчиков систем охраны; · ведение архива срабатываний аварийных датчиков с фиксацией времени подтверждения аварии диспетчером; · каскадирование и наращивание числа контролируемых объектов. Беспроводная связь позволяет использовать диспетчерский центр в зоне действия сети оператора сотовой связи как в стационарном, так и в мобильном варианте. Полученную информацию можно отфильтровывать и направлять в различные центры контроля, анализа, управления, охраны и т.п. В состав системы контролируемого объекта входят: § шкаф с системой управления и передачи информации в антивандальном корпусе; § счётчики расхода электроэнергии, горячей и холодной воды; § датчики задымления, температуры и влажности; § магнитно-контактный датчик; § брелок Touch Memory, а в состав диспетчерского центра: Ö персональный компьютер; Ö программный комплекс АРМ-диспетчера; Ö мобильный телефонный аппарат, подключенный к компьютеру. Предлагаемая система может быть перенастроена для решения других задач с учетом пожеланий заказчика путем замены видов датчиков и программного обеспечения системы. Имея такую систему, муниципальные власти могут свести к минимуму риск возникновения внештатных ситуаций и существенно повысить безопасность жилого и производственного фондов при умеренных финансовых затратах.

4.4.4. Практические задачи по организации системы строительного мониторинга Оптический тестер Комплекс волоконно-оптических датчиков представляет собой оптический тестер, обеспечивающий недорогой способ контроля по принципу «норма–тревога», главным элементом которого является волоконно-оптический световод. Топология укладки световода позволяет охватить весь объем фундаментной плиты или другой анализируемой конструкции. Для закрепления в фундаментной плите световод привязывают к прутам арматуры снизу до заливки бетонной массы. Возможная топология укладки световода в фундаментную плиту представлена на рис. 4.36.

Рис. 4.36. Топология укладки световода при мониторинге

Комплекс волоконно-оптических датчиков состоит из трех основных частей: · источника излучения; · волоконно-оптического световода; · измерителя оптической мощности (приемника). Источник излучения, содержащий светодиод, генерирует световой луч, который, проходя по световоду, теряет некоторую часть своего потока вследствие ряда причин и, в частности, в результате внешнего воздействия на световод. Любое механическое или тепловое воздействие на световод порождает геометрическое изменение его формы или микроповреждение, что автоматически влечет изменение мощности светового потока, фиксируемой измерителем. На этом основан принцип мониторинга контролируемого фрагмента конструкции, реализуемый волоконнооптическим датчиком. При достижении заданного критического значения, показывающего наличие предельной механической или тепловой нагрузки

в каком-либо месте конструкции, комплекс волоконно-оптических датчиков сигнализирует оператору через электронный блок обработки сигналов об аварийной ситуации. При этом даже при наличии разрыва неповрежденные отдельные отрезки световода полноценно работают как датчики при использовании рефлектометров – приборов, анализирующих различные виды обратнорассеянного излучения. Потенциально комплекс волоконно-оптических датчиков может выполнять более масштабную задачу, чем просто сигнал об аварийной ситуации в фундаментной плите как интегральный показатель ухудшения качества контролируемого объекта. Рассмотрим топологию укладки световода, представленную на рис. 4.36. Здесь предложен вариант комплекса волоконно-оптических датчиков с двумя источниками света и двумя измерителями оптической мощности. Каждая пара опорных отрезков световодов соединена оптическим разъемом, который вынесен на поверхность фундаментной плиты. При поступлении аварийного сигнала, означающего падение оптической мощности в волоконно-оптической сети до критического уровня, оператор приступает к определению места аварийного события. Для этого он снимает оптические разъемы и последовательно пропускает световой сигнал через каждый опорный световод продольной и поперечной сетей с соответствующим измерением оптической мощности. После завершения тестирования всех опорных отрезков световодов определяются световоды продольной и поперечной сетей, в зонах влияния которых произошло аварийное событие. Пересечение найденных зон (полос) фиксирует место аварийного события (рис. 4.37).

Рис. 4.37. Методика определения места деструктивного события с помощью комплекса волоконно-оптических датчиков

Организация системы мониторинга на базе пьезокерамических датчиков Комплекс пьезокерамических датчиков представляет собой семейство «кустов» акустических излучателей и приёмников, помещаемых в фундаментную плиту при её заливке. Каждый элемент куста снабжен электропитанием через электропровод, выведенный во внешнюю зону к оператору. Акустический сигнал Рис. 4.38. Мониторинг фундаментной возбуждается в излучателе и плиты с помощью пьезокерамических распространяется во всей среде датчиков фундаментной плиты. Физическая схема действия комплекса пьезокерамических датчиков состоит в следующем. Зондирующее излучение источника распространяется непосредственно в контролируемой фундаментной плите (рис. 4.38) и позволяет получать информацию о распределении упругих характеристик бетона, ударной вязкости, внутренних напряжениях, гранулометрическом составе и изменении характеристик бетона. К таким изменениям следует отнести: · коррозию арматуры; · набор прочности бетоном; · глобальную деструкцию фундаментной плиты; · образование локальных полостей; · зарождение микротрещин; · развитие магистральных трещин. Электронный блок обработки сигналов имеет критерий на основе откалиброванных значений, согласно которому интегральный коэффициент анализа акустического сигнала не должен выходить за табулированные пределы. В случае достижения заданных пределов комплекс пьезокерамических датчиков сигнализирует оператору об аварийной ситуации. Мониторинг состояния фасадных систем на базе амплитудных волоконно-оптических датчиков Для создания систем мониторинга фасадных конструкций возможна разработка волоконно-оптических сенсорных систем, конкретно ориентированных на задачи, поставленные инженерами-строителями. В этом случае разумно пользоваться специально созданной системой мониторинга на базе амплитудных волоконно-оптических датчиков, а не применять приборы широкого спектра возможностей. В результате пользователи системы

мониторинга фасадных конструкций будут иметь инструмент, контролирующий только заданные параметры с необходимой точностью, обладающий разумной ценой. В качестве варианта рассмотрим фасад, облицованный плиткой (рис. 4.39). Установка волоконно-оптического датчика перемещений и деформаций возможна как при монтаже фасада, так и на эксплуатируемую конструкцию. Поскольку фасад состоит из определенного количества плиток, то в качестве базового объекта контроля уместно выбрать одну из них. Плитка может иметь два варианта аварийного события: смещение вследствие ослабления кронштейна или деформация самой плитки и, как результат, зарождение или разРис. 4.39. Схема фасада, облицованного витие трещины по её поверхности. плиткой Естественно, возможен вариант сочетания этих ситуаций (наложение или суперпозиция аварийных событий). Для отслеживания этих ситуаций достаточно иметь датчик в виде многоканального оптического тестера, световоды которого приклеены к поверхности контролируемой плитки. Выбрав топологию размещения световода на плитке, мы получим датчик деформаций (рис. 4.40). Для определения относительного смещения нужно приклеить два световода (один в горизонтальном, а другой в вертикальном направлении) так, чтобы помимо контрольной плитки световод был приклеен к ближайшим соседним (рис. 4.41). Принцип действия датчиков деформаций и перемещений основан на контроле оптической мощности светового излучения, посылаемого Рис. 4.40. Схема волоконно-оптического датчика источником и пропусдеформаций фасадной плитки каемого через световод. Измеритель оптической мощности позволяет фиксировать выходное напряжение преобразованного оптического сигнала в зависимости от степени деформации или смещения контролируемой плитки. В итоге датчик при наличии недопустимого отклонения от проектного положения сигнализирует об аварийном событии, поскольку имеет место уменьшение выходного напряжения ниже пределов, соответствующих безопасным условиям эксплуатации. Это относится как к датчику перемещений, так и к датчику дефор-

маций, которые могут контролировать любые элементы системы. Простота и легкость организации системы мониторинга деформаций и перемещений элементов фасада сочетаются с точностью фиксации начала аварийного события. Учитывая тот факт, что оптический световод обладает высокими прочностными качествами и повышенной чувствительностью к изменению своих геометриРис. 4.41. Схема волоконно-оптического датчика ческих размеров и форм перемещений фасадной плитки (в случае растяжения или сжатия, появления микроизгибов, микротрещин и разрывов), предложенный датчик на базе оптического тестера дает недорогой и качественный инструмент мониторинга. Рис. 4.42. Интерферометрическая схема В случае необходимониторинга фасада мости система контроля может быть модифицирована на любые другие фасады. При этом оптическое волокно может быть приклеено по всей поверхности фасада с максимальным охватом зоны контроля (рис. 4.42). Подобная методика позволит применять более сложные, но существенно более чувствительные интерферометрические схемы. В этом случае диагностика состояния волоконного световода осуществляется, как правило, с помощью различных типов рефлектометров, позволяющих анализировать разновидности обратнорассеянного в световоде излучения: релеевского, рамановского и бриллюэновского. Экспериментальные исследования В НИиППЛ МГСУ намечена и последовательно проводится программа экспериментальных исследований, ориентированная на исследования волоконно-оптических и пьезокерамических датчиков в качестве элементов системы мониторинга строительных конструкций. В рамках этого этапа цементно-песчаные призмы с заложенными отрезками световодов различных конфигураций и топологии закладки подвергались нагрузкам в прессе. Контроль оптической мощности светового

излучения, пропускаемого через световод, позволял фиксировать выходное напряжение преобразованного оптического сигнала в зависимости от степени нагрузки на испытуемый образец. Проведенные испытания однозначно свидетельствуют о необходимости и возможности построения эффективных систем строительного мониторинга на базе этих измерительных систем. В частности, при исследовании волоконно-оптических датчиков основные вопросы первого цикла испытаний базовой программы были сформулированы следующим образом. 1. Определение оптимальных физических и структурных параметров световода как измерительного элемента. 2. Определение топологии и способа закладки световода для достижения максимальной чувствительности к нагрузкам. 3. Влияние защитной оболочки световода на его чувствительность к нагрузкам. 4. Влияние микроизгибов световода на его чувствительность к нагрузкам. 5. Измерение пропускательной способности световода, расположенного в основном в срединной части призмы, с целью устранения влияния неравномерного профиля нагрузки вблизи поверхности образца (иллюстрация принципа Сен-Венана). 6. Определение различий в измерении нагрузок на призму при горизонтальном и вертикальном положении образцов в рабочей части пресса. 7. Определение нагрузки, соответствующей началу изменения мощности излучения, в процентах по отношению к максимальной нагрузке. Анализ полученных результатов очевидным образом свидетельствует о перспективности выбранного направления и дает богатый материал для разработки волоконно-оптической системы мониторинга состояния железобетонных конструкций в строительстве. Дальнейшее направление исследований целесообразно сконцентрировать в следующих областях: · использование различных конфигураций закладки световодов; · испытания реальных образцов ЖБИ; · испытания других материалов, входящих в состав строительных элементов: металла, кирпича, пластика; контроль напряженнодеформированного состояния при внешнем закреплении световодов на поверхности образцов; · испытания различных типов световодов для достижения наилучшего сочетания следующих свойств: ¨ чувствительности к малым нагрузкам; ¨ прочности при линейном растяжении/сжатии; · применение рефлектометрии; · использование регистрирующей аппаратуры, фиксирующей, кроме нагрузки, температуру, линейный ход пластины пресса и т.д.;

· использование в проведении экспериментов других датчиков наряду с волоконно-оптическим световодом; · испытания образцов не только на сжатие, но и на растяжение. Актуальность создания систем строительного мониторинга диктуется самой жизнью, если учесть соотношение темпов роста, увеличения нестандартных проектных решений и количества аварий в строительстве. Развивать строительную индустрию без инструментов качественного и оперативного контроля сегодня становится невозможным. Задача любого разработчика строительного мониторинга будет включать в себя следующие вопросы: § теоретические и нормативные обоснования механизма строительного мониторинга; § построение оптимальной технико-экономической модели строительного мониторинга; § разработка эффективных контрольно-измерительных систем; § технологическое обеспечение внедрения строительного мониторинга в практику. Для ответа на эти и другие вопросы касательно строительного мониторинга в НИиППЛ «ПиК» МГСУ ведутся постоянные исследования, некоторые материалы которых представлены выше. Перспективы этих исследований включают в себя дальнейшее изучение теоретических и практических аспектов строительного мониторинга.

4.5. Архитектура и безопасность среды обитания человека Сегодня рост преступности в стране заставляет очень многих, особенно это касается собственников крупного недвижимого имущества, более внимательно относиться к обеспечению дополнительной безопасности (как личной, так и безопасности бизнеса, офисов, квартир, автомобилей, загородных владений и т. д.) [81]. Помимо завоевавших заслуженное признание телохранителей, бронировки автомобилей, возведения защитных физических преград, сигнализаций и т.д., существуют другие малоизвестные на сегодня в России методы уменьшения рисков подвергнуться криминальным действиям и снизить проявление их последствий. Один из этих методов и, вероятно, основной – это предотвращение преступления. Практическая реализация предотвращения преступления имеет охватывающую почти все сферы деятельности комплексную форму воплощения, в которой необходимо учитывать все – от мотивационно-поведенческих аспектов до взрывоустойчивых экранов и перегородок. Очевидно, что наряду с колористическим решением, решением ланд-

шафтного проектирования и геосоциальных аспектов размещения объекта, то, как он спроектирован, как в здании реализована организация жизнедеятельности человека, существенно влияет на поведение самого человека. Можно с определенной степенью уверенности сказать, что в ряде случаев именно пространственная организация или визуальная форма здания и его деталей наталкивает потенциальных преступников на совершение противоправных действий. Не менее важны форма, цветовая гамма и другие характеристики открытых или полузакрытых пространств вокруг здании или, иначе говоря, искусственного или природного ландшафта. Среда обитания человека решающим образом влияет на его поступки. Сравнительно недавно проектировщики и архитекторы стали серьезно задумываться о том, какая конкретно среда и каким образом влияет на поведенческую линию человека, и как, изменяя ее, можно воздействовать на мышление и последующие действия. Известно, что иные пространства являются наиболее притягательными для подростковых компаний, в том числе связанных с противоправными действиями. Некоторые стены особенно сильно привлекают любителей «граффити» или иных форм настенной живописи, а отдельные категории поверхностей вызывают немотивированную агрессивность. Если влияние колористики среды обитания как-то изучено психологами, правда, в основном на уровне реакции человека на элементарные цвета и их образования, то другие визуальные характеристики среды, особенно сложные формы, являются практически неизученными. Существует целый ряд вопросов, на которые многие специалисты сегодня затруднились бы ответить: почему именно эта (некоторая) часть пространства становится стихийной свалкой отбросов, отхожим местом? Почему в какой-то определенной части города совершается больше, чем в ином месте, конкретного класса правонарушений? Почему некоторые сооружения в большей степени подвержены вандализму, чем другие? Почему частые происшествия происходят, как правило, на одном и том же месте? Объяснение поставленных проблем и ответ на все эти вопросы один: это результат некачественного проектирования среды обитания человека. Это значит, что подход к проектированию был недостаточно компетентен, бессистемен и многие факторы не учитывал. Создание заведомо агрессивной визуальной среды, некомфортных и немасштабных пространств, неосвещенных и не просматриваемых закоулков, тупиков, неиспользуемых чердаков и подвалов и многих других непродуманных поверхностей и объемов, как это еще практикуется сегодня при массовом строительстве типового жилья на окраинах городов, приводит к стремительному повышению криминогенной среды и, с другой стороны, к усилению чувства страха, подавленности, немотивированной аг-

рессии, вплоть до моральной деградации, простых жителей таких новостроек. Подобного рода недостатки градостроительных, инженерных, архитектурных, художественных решений важно предупреждать на этапе проектирования. Тщательное и всестороннее исследование исходных данных проекта, прогнозирование возможных последствий, детальное рассмотрение вопросов обеспечения безопасности в самом начале работы над конкретным объектом как проектом изменения среды обитания человека является если не залогом, то, как минимум, подспорьем для успешного решения всех проблем безопасности в дальнейшем. Путем разработки грамотных и системно увязанных проектов зданий и сооружений, благоустройства и качественного решения ландшафтной архитектуры и озеленения прилегающих и близлежащих территорий, художественного оформления, а также надлежащего дизайна объектов можно значительно уменьшить возможности для совершения преступлений, минимизировать провокационные аспекты архитектурных форм проекта для социально-негативного поведения людей. Степень безопасности пространства напрямую зависит от социальной отнесенности к зонам влияния на него человека или группы людей, оттого, насколько велико это влияние. Условно различают четыре основных типа защищаемого пространства: 1) приватное – пространство, находящееся под полным и непосредственным контролем обитателя, недоступное для физического и визуального проникновения посторонних, например внутренние помещения дома или офиса; 2) полуприватное – пространство, находящееся под контролем обитателя, но визуально или физически доступное для постороннего проникновения, например сад при доме; 3) полуобщественное – пространство, контролируемое различными конкретными группами обитателей, например коридоры и вестибюли многоквартирных домов; 4) общественное – пространство, доступ к которому имеют все, например дороги, парки и т.п. Несколько слов о видеоэкологии или создании благоприятной визуальной среды обитания человека. Глаз по своему физиологическому строению «не любит» протяженных прямых линий, причем независимо от того, горизонтально или вертикально эти линии ориентированы. Прямые линии не комфортны для глаз потому, что в течение двух секунд (этим временем приблизительно измеряется привычное автоматическое движение глаза) не находится доминанта – точка, на которой мог бы остановиться взгляд. Прямые углы составляют схожую проблему: физически акцентировать внимание на прямом угле сложнее, чем на остром или тупом. Особенно эти

правила касаются верхней части постройки, опять-таки из-за физиологических особенностей зрения человека. Есть у данной проблемы и психологическая сторона: прямые углы и протяженные линии не создают «непредсказуемости поведения» архитектуры; полная ясность формы не может выступать доминантой, тем более заинтересовать или вызвать «рассмотрение» – внимание к себе. Поэтому так негативно и воспринимаются всеми нами многоэтажные типовые здания – прямоугольный короб, прямоугольные окна, сплошные прямые линии, однотипные архитектурные формы. На большой плоскости все это создает типичное агрессивное поле, где глаз не может найти точки для фиксации. Наличие больших плоскостей фасадов или торцов зданий также создает негативную среду для восприятия. Это объясняется тем, что у обычных людей левый и правый глаза нередко различаются по остроте зрения. На большой однотипной плоскости проявляются дефекты собственного зрения и затруднена работа бинокулярного аппарата. Агрессивным становится любое поле, состоящее из большого числа равномерно рассредоточенных по нему одинаковых элементов, причем степень агрессивности зависит от плотности их расположения, поскольку затрудняет автоматическую фиксацию взгляда. Такое поле возникает, например, на стенах зданий, на которых рассредоточено большое количество одинаковых окон или мощение больших пространств геометрически правильными идентичными асфальтовыми или иными плитами. Когда человек попадает в такую среду, он невольно стремится скорее ее миновать. Этим объясняется тот факт, что у подобных зданий практически всегда малолюдно. И, наоборот, в кварталах, где много старинных разнообразных построек с видимыми элементами декора, создается благоприятная визуальная среда. По мнению специалистов, в архитектурном проектировании зданий и сооружений с учетом требований обеспечения безопасности или в безопасном проектировании нет единой базовой линии и не существует единообразного, учитывающего все подхода. Оценка того, какие риски должны приниматься во внимание, является исходным пунктом проектирования. Необходимо учитывать особые индивидуальные требования пользователя и установить предмет защиты и ее степень. В ряде случаев нападения на здания являются следствием специального социального назначения сооружения, например, в качестве «возмездия» за действия различного ряда ограничительных органов. Иногда образ жизни и криминогенность среды вокруг зданий предопределяют его статус как объекта агрессии. В 1997 г. в статье «Проектировать с мыслью о безопасности» Е.М. Морено, проводя анализ степеней агрессивности зданий и сооружений,

упоминал в качестве потенциальной мишени для террористических или вандальных актов Центр мировой торговли в Нью-Йорке, за 5 лет предсказав известные события. Этот факт подтверждает серьезную необходимость акцентировать особое внимание архитекторов и проектировщиков на безопасном проектировании. Множество зданий являются потенциальными адресатами для криминальных проявлений только из-за своих больших размеров, неудачной архитектуры или принадлежности многонациональным компаниям. Проектирование среды обитания – очень трудоемкий процесс с высокими требованиями к учету множества факторов: от видоэкологии до оценки степени агрессивности архитектуры будущего объекта, но оно является жизненно необходимой частью общего проектирования зданий и сооружений, без него просто невозможен дальнейший рост и архитектуры как уникального симбиоза науки и искусства, и культуры города и его обитателей в целом.

4.6. Нейроинформационные технологии на службе безопасности населения [91] В последние годы одной из наиболее серьезных угроз для населения, объектов и территорий практически во всех регионах России стал терроризм. Не стала исключением и Москва: взрывы домов в Печатниках, на Каширском шоссе, в подземном переходе под Пушкинской площадью, захват заложников в Доме культуры на Дубровке – яркое тому свидетельство. Столичные власти проводят постоянную работу в целях профилактики возникновения подобных угроз, а также для общего снижения количества противоправных действий в Москве. В настоящее время в столице широко используются различные формы и технологии защиты объектов городского хозяйства (особенно объектов ЖКХ) от преступных посягательств. В числе таких мер можно выделить следующие: · установку на подъездах жилых домов запирающих устройств разных типов; · организацию дежурства в подъездах; · установку на объектах различных датчиков с выводом сигналов в оперативные диспетчерские службы (ОДС) и др. Задачи по охране жилищного фонда и оборудования, входящего в состав ЖКХ, решаются в рамках программы «Мой двор, мой подъезд» в соответствии с постановлениями Правительства Москвы № 191 от 14.03.2000 г., № 902 от 21.11.2000 г., № 238-ПП от 13.03.2001 г., № 31ПП от 15.01.2002 г., где предписаны: замена кодовых и кодово-механиче-

ских замков на домофоны, оборудование подъездов помещениями для консьержек и другие мероприятия. В течение 2002 г. в районе Тверской (ЦАО) в подъездах жилых домов и на прилегающей к ним территории были установлены камеры видеонаблюдения, а 22 октября 2002 г. было принято постановление Правительства Москвы № 867-пп «Об обеспечении охраны подъездов и территорий домовладений с использованием средств видеонаблюдения». Эксперименты по созданию локальных систем проводились в разных административных округах г. Москвы. К сожалению, для многих разрабатываемых систем характерен бессистемный узковедомственный и разнородный подход к развитию технических средств и технологий, а также Рис. 4.43. Оборудование для охраны применение разнородных каналов объектов ЖКХ и видов связи, что не позволяет организовать интеграцию сил в случае необходимости. Эти недостатки оказывают существенное влияние на эффективность решаемых городом задач по нормальному и безопасному функционированию объектов и обеспечению безопасности граждан. В январе 2003 г. Правительством Москвы рассмотрена «Комплексная целевая программа борьбы с преступностью на 2003 – 2005 годы». Одной из составляющих частей программы является подпрограмма обеспечения безопасности москвичей. Для решения повседневных задач безопасности, по мнению ведущих отечественных и зарубежных специалистов, нужна единая многофункциональная комплексная система, созданная с применением самых современных информационных технологий. Эксперимент по созданию такой многофункциональной городской системы безопасности и контроля «СОТА» (далее МГСБ «СОТА») ведется в Северо-Западном административном округе города (район «Северное Тушино») с 2000 г. Эта система создавалась в целях выполнения распоряжения премьера Правительства Москвы № 719-РП от 19.07.2000 г. «О проведении эксперимента по привлечению негосударственных организаций безопасности к оказанию помощи органам внутренних дел по охране жилого сектора Северо-Западного административного округа г. Москвы». Работа проводи-

лась по инициативе и под руководством префектуры СЗАО. В зону территориального покрытия «СОТА» попали объекты жилищного фонда, объекты ведомственного назначения, оборудование ЖКХ, газовые магистрали, энергетические и связные узлы (коммуникации), объекты частной собственности граждан и т.п. Результаты эксплуатации системы в показали, что объем ущерба в подконтрольных зонах практически сведен к нулю. Система даже на этапе строительства представляла собой единый организационно-технический комплекс, создаваемый путем интеграции эффективных локальных систем безопасности и контроля на базе новых и уже развитых современных информационных технологий. Среда МГСБ «СОТА» может быть использована для: · защиты городских районов и объектов от подготовки террористических актов; · своевременного (раннего) обнаружения утечек бытового или других опасных газов, реактивов; · эффективного контроля работы водоснабжения, теплоснабжения, электроснабжения и других жизненно важных систем городского хозяйства, быстрого оповещения коммунальных служб города о возникающих сбоях и авариях; · контроля над фактическими действиями и местонахождением техники дорожных (или других) служб, должностных лиц; · защиты граждан от криминальных проявлений, оказания им помощи со стороны правоохранительных органов, экстренной медицинской или другой (в зависимости от ситуации). В процессе создания и опытной эксплуатации системы подтвердилось предположение, что с ее помощью можно автоматизировать и совершенствовать до современного уровня решение ряда задач. В частности, она позволяет: Ö максимально оперативно получать информацию и реагировать на самые различные события (правоохранительного, техногенного, экологического и т.п. характера), в том числе происходящие на подвижных объектах, что не позволяет событиям развиваться дальше уровня предпосылок к происшествиям; Ö организовать независимый многоуровневый контроль со стороны городских ведомств за событиями в районах города и результатами реакции на них; Ö снижать повседневную нагрузку на специализированные городские службы; Ö инициировать эффективное взаимодействие между специализированными службами и населением города;

Ö различным ведомственным и другим пользователям совместно использовать возможности системы без ущерба для решения основных задач; Ö позиционировать события и действия по реагированию на них на электронной карте районов (города в целом) в 2- и 3-мерной графике с точностью 1 – 300 м; Ö получать видео-, аудио- и другую информацию о событиях в избранных зонах; Ö осуществлять архивирование, статистическую и аналитическую обработку информации. Основной принцип построения системы «СОТА» – нейроинформационный. Его смысл состоит в покрытии территории сетью приемопередающих микросот (узлов). В этом случае любой объект (ожидаемое событие) в районе (физическое лицо, помещение, транспортное средство и т.п.) может быть снабжен скрытым сверхминиатюрным передатчиком сигнала и (или) соответствующим датчиком. Каждый передатчик имеет свой уникальный постоянный кодовый номер, который присваивается объекту (событию) в ведомственной электронной базе данных. Все датчики и передатчики сигнала постоянно связаны с микросотами различными каналами связи. В свою очередь все микросоты имеют постоянные магистральные каналы связи с ведомственными центрами сбора и обработки информации. Каждый центр имеет в своем распоряжении силы реагирования на события, происходящие на обслуживаемой территории. Появление сигнала зарегистрированного передатчика позволяет получить из его локальной памяти всю информацию об объекте. После обработки этих сведений оператор принимает решение: немедленно отправить на место группу быстрого реагирования или принять иные меры, предусмотренные инструкциями. Так, например, если микропередатчиком оборудован коллектор ЖКХ, кабель силового электрического напряжения, зона станции водозабора и т.п. и будет зафиксирована их несанкционированное вскрытие, повреждение, появление воды, задымления, изменения газового состава и др., то оператор системы «СОТА» немедленно будет оповещен об этом, причем система зафиксирует появление как самого сигнала, так и все действия дежурного. Если гражданин, имеющий персональный передатчик системы, нуждаясь в помощи, активирует его на обслуживаемой системой территории, оператор немедленно получит на свой монитор информацию о нем. Вызовы от граждан также могут быть произведены и в тех случаях, когда они обнаружат признаки подготовки террористического акта или акта вандализма. Среди отличительных особенностей системы «СОТА» надо отметить ее компактность, защищенность от вандализма, воз-

можность работы в любых климатических условиях, долговечность. Универсальность системы позволяет постепенно наращивать ее мощность. Созданная на территории лишь одного микрорайона, она постепенно может разрастаться до районного и общегородского уровней. Экономический эффект от внедрения МГСБ «СОТА» достигается за счет: · общего сокращения числа правонарушений и преступлений против граждан и имущества; · уменьшения ущерба от аварий, возгораний, затоплений и т.п. за счет оперативного реагирования; · сокращения случаев вандализма и хищения приборов, кабелей, имущества и т.п. в результате автоматизированного контроля их состояния и состояния зон и помещений, в которых они находятся. Если учесть высокую заинтересованность в пользовании системой физических и юридических лиц (охрана личности, охрана личного транспорта и имущества, охрана объектов юридических лиц), то на определенном этапе развития система (в качестве использования своего ресурса на вторичной основе) сможет самостоятельно обеспечить не только покрытие расходов на свое содержание, но и на дальнейшее развитие. Проект поддержан мэром г. Москвы, правительством столицы и префектурами административных округов города, аппаратом полномочного представителя Президента РФ в Центральном федеральном округе РФ, НПО «Специальная техника и связь» МВД России, Главным управлением по делам ГО и ЧС г. Москвы, другими ведомствами и организациями. По нашему мнению, найденные нами пути решения общих проблем смогут послужить основой для начала построения аналогичных систем с целью создания единой комплексной системы безопасности в интересах граждан России.

4.7. Классификация, определения и функциональная терминология в строительном мониторинге Процесс мониторинга строительного сооружения – процесс многопараметрический, сложно организованный, структурно многоуровневый и может потребовать отслеживания многих текущих характеристик и значений. В данной работе предпринята попытка дать классификацию и определения основных понятий, связанных с мониторингом строительных конструкций. Подобная классификация и варианты качественного осмысления параметров мониторинга представляются важными в свете разработки пакета норм, направленных

на мониторинг сооружений различного назначения, при контроле разнообразных прочностных, деформационных и физико-химических параметров строительных конструкций. [94] Определение 1. Объект контроля – здание, сооружение, конструкция или их элемент. Определение 2. Параметры объекта контроля – физикомеханические параметры, описывающие текущее состояние объекта контроля. Определение 3. Эталонные пределы надежности – значения параметров объекта контроля в режиме строительства или эксплуатации, соответствующие действующим нормам и проектно-расчетному обоснованию. Соответствие этим нормам не требует коррекции или проведения восстановительных операций. Определение 4. Безопасный режим – режим строительства или эксплуатации объекта контроля, при котором значения параметров объекта контроля не выходят за эталонные пределы надежности. Определение 5. Опасный режим – режим строительства или эксплуатации объекта контроля, при котором значения параметров объекта контроля находятся в области, близкой к эталонным пределам надежности. Диапазон этих областей определяется на стадии проектирования. Определение 6. Аварийный режим – режим строительства или эксплуатации объекта контроля, при котором значения параметров объекта контроля вышли за эталонные пределы надежности. Определение 7. Воздействие – процесс влияния физических полей или химических сред на объект контроля. Определение 8. Сопротивление воздействию – максимальный уровень воздействия, при котором в объекте контроля не возникает деструктивного события. Определение 9. Контроль – процесс наблюдения, регистрации параметров объекта контроля и определения степени отклонения этих параметров от эталонных пределов надежности, а также формирование сигнала тревоги в случае наступления опасного режима (рис. 4.45). Определение 10. Область контроля – геометрически заданная часть объекта контроля или объект контроля в целом, который подвергается контролю. Определение 11. Измерительная система – комплекс приборов, с помощью которых осуществляется контроль. Определение 12. Деструктивное событие – процесс, вследствие которого объект контроля из состояния безопасного режима переходит в состояние аварийного режима. Деструктивное событие имеет три основных стадии развития во времени:

· зарождение деструктивного события: отклонение параметров объекта контроля, находящегося в пределах безопасного режима, в сторону приближения к опасному режиму; · развитие деструктивного события: наступление опасного режима; · осуществление деструктивного события: наступление аварийного режима. Определение 13. Анализ – процесс обработки первичного сигнала; в случае поступления сигнала тревоги – диагностика события с привлечением дополнительных измерительных систем и обработкой данных всех измерений. Определение 14. Сопровождение – процесс прогнозирования и выработки рекомендаций. Определение 15. Мониторинг – комплексное и последовательное осуществлении контроля, анализа и сопровождения. Иллюстрация определения мониторинга приведена на рис. 4.44. Следует отметить, что в определении мониторинга выделены 3 основных последовательных этапа: - контроль; - анализ; - сопровождение. Содержательно мониторинг состоит из комплекса 12 операций: · проверки наличия разрешительной документации; · проверки соответствия производимых работ и используемых материалов нормам и стандартам; · изъятия образцов материалов с последующим лабораторным анализом; · наблюдения параметров объекта контроля; · регистрации параметров объекта контроля; · формирования сигнала тревоги; · подключения дополнительных измерительных систем (ИС); · обработки данных; · диагностики; · моделирования; · прогноза развития ситуации; · рекомендаций по принятию мер. В соответствии с таким определением (см. рис. 4.44), разделим 12 операций на следующие функциональные блоки: Ø операции 1 – 3: нормативный блок; Ø операции 4 – 7: измерительный блок; Ø операции 8 – 12: блок систематизации. Особое внимание следует уделить тому факту, что во второй части

мониторинга («Анализ») возникает необходимость применения дополнительных измерительных систем. Мониторинг организуется таким образом, что в процессе контроля производится отслеживание фундаментальных, общих или интегральных характеристик. Если в результате общего контроля состояния объекта контроля формируется сигнал тревоги, то, для уточнения вида деструктивного события и его места локализации следует применить дополнительные измерительные системы, которые позволят сделать правильные выводы и произвести точную диагностику.

СТРОИТЕЛЬНЫЙ МОНИТОРИНГ

КОНТРОЛЬ

АНАЛИЗ

СОПРОВОЖДЕНИЕ

Разрешения

Наблюдение

Стандарты

Регистрация

Обработка данных

Прогноз

Образцы

Сигнал тревоги

Диагностика

Рекомендации

НОРМАТИВНЫЙ БЛОК

БЛОК ИЗМЕРЕНИЙ

Дополнительные ИС

Моделирование

БЛОК СИСТЕМАТИЗАЦИИ

Рис. 4.44. Определение мониторинга: основные части и содержательные операции

Исходя из определения функциональных блоков мониторинга, есть смысл выделить виды мониторинга в процессе его реализации, а именно: § нормативный мониторинг; § измерительный мониторинг; § мониторинг систематизации. При этом мониторинг обладает рядом функциональных характеристик, которые можно разделить на 3 основные группы. 1-я группа. Характеристики базовых физических принципов: · мониторинг воздействия – мониторинг сопротивления воздействию. 2-я группа. Технико-экономические характеристики: · мониторинг качественный – мониторинг количественный; · мониторинг ресурсно-затратный – мониторинг экономный; · мониторинг долговечный – мониторинг недолговечный.

3-я группа. Характеристики организации контроля: · мониторинг дискретный – мониторинг непрерывный; · мониторинг базовый – мониторинг полный; · мониторинг внутренний – мониторинг внешний; · мониторинг монтажный – мониторинг эксплуатационный; · мониторинг штатный – мониторинг специфический; · мониторинг однопараметрический – мониторинг многопараметрический; · мониторинг автоматический – мониторинг операторский; · мониторинг одноуровневый – мониторинг многоуровневый; · мониторинг моносистемный – мониторинг комплексный; · мониторинг дистанционный – мониторинг локальный; · мониторинг относительный – мониторинг абсолютный. Рассмотрим наиболее важную 1-ю группу характеристик. Мониторинг воздействия контролирует процесс влияния внешних условий на объект контроля. Мониторинг сопротивления воздействию показывает способность объекта контроля противостоять влиянию внешних условий. Необходимость такого деления мониторинга объясняется тем фактом, что информация, получаемая от мониторинга воздействия, является односторонней и не позволяет сделать вывод о запасе надежности объекта контроля. Аналогично мониторинг сопротивления воздействию предоставляет данные только о возможности противостоять внешнему воздействию без соответствующей оценки самого воздействия. Деструктивное событие

Процедура контроля

Измерительная система Объект контроля

Приборы контроля

Безопасный режим

Приборы регистрации

Эталонные пределы надежности Опасный режим

Система обработки

Аварийный режим Изменение параметров объекта

Рис. 4.45. Иллюстрация принципа контроля в системе строительного мониторинга

В качестве примера, иллюстрирующего деление мониторинга на такие два класса, рассмотрим монолитную железобетонную конструкцию с двумя типами измерительных систем, которые входят в систему мониторинга: волоконно-оптическую систему по типу оптического тестера и акустическую систему на базе пьезокерамических датчиков. Волоконнооптическая измерительная система позволяет регистрировать деформации, которые происходят в конструкции. Но если данная конструкция потеряла свойства связности монолита не локально, а равномерно по всему объему и постепенно в течение многих лет, в результате старения или равномерного химического воздействия, то волоконно-оптическая система не зафиксирует глобальную деструкцию, т.к. концентрированного усилия не было. В то же время акустическая измерительная система зафиксирует такого вида деструкцию на основании изменения коэффициента поглощения звукового сигнала. Таким образом, мониторинг воздействия в данном примере представлен волоконно-оптической измерительной системой, а мониторинг сопротивления воздействию – акустической измерительной системой. Здесь важно отметить, что классификация мониторинга по этим признакам однозначно делит мониторинг на два вида, использующих принципиально разные виды измерительных систем. Если принять, что все измерительные системы, фиксирующие физические параметры, базируются на волновой природе, то деление измерительных систем и мониторинга соответствующих видов можно произвести следующим образом: - измерительные системы, которые в качестве среды распространения сигнала используют ограниченный объект-носитель (для электромагнитных волн – электрокабель, для света – волоконнооптический световод и т.д.). Такие измерительные системы являются доминирующими в системах мониторинга воздействия; - измерительные системы, которые в качестве среды распространения сигнала используют сам объект контроля (акустические, магнитные волны). Такие измерительные системы являются доминирующими в системах мониторинга сопротивления воздействию.

4.8. Автоматизация зданий: от теории к практике За последние несколько лет, прошедших с начала объявленной в стране всеобщей автоматизации, количественный поток теоретических обоснований и выкладок начал материализоваться в качественные реальные проекты. Первые попытки создать так называемое интеллектуальное здание воспринимались, скорее, как экзотика, а вовсе не

как необходимый атрибут современного сооружения. Однако известные события с отключениями электроэнергии с особой чёткостью показали, что ни одно сколько-нибудь серьёзное здание не может, да и не должно обходиться без более или менее развитой автоматизированной системы диспетчерского управления (АСДУ) [93]. На примере ряда уже действующих объектов была доказана реальная экономическая эффективность подобных систем. Причём эффективность эта оценивается не в абстрактных единицах комфортности, а по вполне осязаемым показателям, имеющим денежное выражение. Прежде всего, это экономия электроэнергии, которая, кстати сказать, стремительно дорожает. Упомянем и такой показатель, как общие эксплуатационные расходы. Уже очевиден факт, что наличие системы АСДУ способствует существенному снижению этих расходов за счёт оптимального потребления воды, тепла, холода и возможного уменьшения количества персонала, обслуживающего здание. Не последнюю роль в признании безусловной полезности и эффективности систем автоматики сыграли службы эксплуатации зданий, принимающие на обслуживание не просто комплект труб, кабелей, вентилей и шкафов, а современную управляемую систему, контролирующую практически все параметры сложнейшего инженерного оборудования в автоматическом режиме и предоставляющую полную задокументированную информацию обо всех эксплуатационных расходах. Что касается стоимости самой системы АСДУ, то она оценивается Рис. 4.46. Здание Банка России обычно в 5–10% от стоимости строительства. Сроки окупаемости в значительной степени зависят от сложности и разветвлённости АСДУ: чем больше инженерных систем включено в систему автоматики, тем больше конечный экономический эффект. То, что система окупится в течение нескольких лет эксплуатации, ни у кого уже не вызывает сомнений. Один из недавно реализованных в Москве проектов – система АСДУ здания Банка России на улице Житной (рис. 4.46). Этот проект, не являющийся, собственно говоря, классическим образцом системы автоматизации, тем и интересен, что на его примере можно проиллюстрировать гибкость современных систем и возможность их использования для решения самых неординарных задач.

Следует заметить, что сложность внедрения любого проекта автоматизации в значительной степени зависит от этапа строительства, на котором он принимается как руководство к действию. Соответственно и затраты на внедрение проекта тем выше, чем дальше продвинулось строительство без учёта системы автоматики. Самыми сложными специалисты признают проекты по реконструкции зданий, особенно в тех случаях, когда в здании уже имеется система автоматики, подлежащая модернизации и расширению. Именно так обстояли дела и в рассматриваемом проекте автоматизации здания банка. Современное двенадцатиэтажное здание располагало всем спектром инженерных систем: от центральных кондиционеров до систем бесперебойного электропитания вычислительной техники. Службы эксплуатации здания могли контролировать работу инженерных систем отопления, вентиляции, кондиционирования, электропитания, лифтового оборудования и других, но по отдельности. Инженер-диспетчер был не в состоянии отследить ситуацию с энергопотреблением глобально, в комплексе, что при дефиците мощности на вводе в здание приводило к постоянным отключениям то одной, то другой инженерной системы. Отсутствовала также возможность оперативного контроля параметров в режиме реального времени. Кроме того, различное оборудование систем располагается в разных местах и на разных этажах здания, а это ещё больше затрудняло быстрое реагирование диспетчерской службы при возникновении нештатных ситуаций. Перед создаваемой АСДУ стояла непростая задача не только обеспечить полный мониторинг всего инженерного оборудования силами немногочисленной диспетчерской смены, но также использовать ранжирование в тех случаях, когда при остром дефиците мощности избежать отключения части инженерных систем просто невозможно. В двух трансформаторных подстанциях, имеющихся на вводе в здание, установлено по два силовых трансформатора. На низковольтной стороне секционные автоматы главного распределительного щита (ГРЩ) обеспечивают питание нагрузок при аварийном отключении одного из трансформаторов. На отводах ГРЩ установлены автоматы ввода резерва (АВР), от распределительных панелей (РП) которых запитаны нагрузки в здании. Таким образом, в каждый момент времени любой фидер может быть запитан от любого из трансформаторов. Система включает в себя 10 АВР, 15 РП и более 150 фидеров. Проблема заключалась в том, что при перегрузке мощности и последующем отключении части фидеров служба эксплуатации была не в состоянии контролировать, какие именно нагрузки будут отключены в первую очередь, а какие в следующую. Поскольку здание находится в самом центре города, спрогнозировать ситуацию с нагрузкой крайне затруднительно, а сделать дополнительный ввод просто невозможно ввиду отсутствия свободных мощностей.

В сложившейся ситуации было принято решение о создании такой АСДУ, которая была бы в состоянии при возникновении аварийной ситуации производить автоматическое переключение мощностей в соответствии с предварительно заложенным ранжированием нагрузок по приоритетам. То есть в случае перегрузки одного из трансформаторов по току АСДУ должна производить поэтапное отключение низкоприоритетных нагрузок с помощью магнитных расцепителей автоматов защиты до тех пор, пока ситуация на вводе не стабилизируется. При этом потребители, обладающие высоким приоритетом, не будут отключены ни при каких обстоятельствах. При полном отключении входного электропитания в результате возможной глобальной аварии система переключит высокоприоритетные нагрузки на резервные источники питания. Оптимальным вариантом является разработка системы АСДУ на этапе проектирования здания или сооружения. Именно на этой стадии затраты на автоматику легко поддаются подсчёту и возможно их достоверное прогнозирование. На практике же чаще всего приходится сталкиваться с необходимостью разработки системы при реконструкции здания или на этапе отделки уже возведённого объекта. При этом важно наладить чёткое взаимодействие как с заказчиком АСДУ для полного понимания поставленных задач, так и с генподрядчиком, поскольку работу на объекте приходится вести параллельно с многочисленными организациями-субподрядчиками, отвечающими только за свой участок. Если игнорировать эти простые принципы, то стоимость системы может заметно возрасти вследствие неоптимальной конфигурации узлов и секторов, вынужденного изменения трасс прокладки каналов, принятия мер против всевозможных силовых наводок и т.п. Значительное влияние на выбор базового стандарта оказал тот факт, что некоторые уже установленные инженерные системы – центральное кондиционирование и вентиляция, лифтовое оборудование, система резервного электроснабжения – к началу работ располагали не связанными друг с другом цепями автоматики. Было принято решение объединить разрозненные цепи в единую систему АСДУ, применив достаточно гибкий стандарт LonWorks. Только применение открытых стандартов при проектировании гарантировало успешную интеграцию всего инженерного хозяйства в единый управляемый комплекс. Помимо этого, в проект необходимо было заложить и возможность дальнейшего развития системы, т.к. техника не стоит на месте. В качестве системы передачи данных были выбраны средства автоматизации, поддерживающие каналы TP/FT10 и ТР1250 полевой шины LonWorks, а в качестве сетевых контроллеров – устройства PCD2 SAIA Burgess. Следует заметить, что в настоящее время на рынке существует

немалое количество объектно-ориентированных устройств, и при разработке проекта у создателей всегда имеется возможность выбора из перечня оборудования нескольких производителей. Практический опыт показал, что, несмотря на высокую цену, именно контроллеры SAIA Burgess неплохо «уживаются» с уже имеющимся на объекте коммутационно-пусковым оборудованием ABB и Siemens, обладая при этом процессором необходимой мощности. Именно эти особенности и предопределили их применение в данном проекте.

Рис. 4. 47. Схема топологии АСДУ объекта: ЛО – лифтовое оборудование; СЦК – система центрального кондиционирования; СЦВ – система центральной вентиляции; ТП1, ТП2 – силовые трансформаторные подстанции; ГРЩ – главный распределительный щит; АВР – автоматы ввода резерва; РП – распределительные панели; ИБП – источник бесперебойного питания; LON – LonWorks совместимое оборудование системы управления (маршрутизаторы, регистраторы, измерители/преобразователи, контроллеры с интерфейсными модулями и модулями ввода/вывода)

За передачу данных по шине отвечает сетевое оборудование Echelon. Классическая магистральная схема объединила через маршрутизаторы несколько каналов свободной топологии TP/FT10 с шиной ТР1250, отвечающей за связь с сервером АСДУ (рис. 4.47). Именно каналы TP/FT10 дают возможность выполнить эффективную разводку по многоэтажному зданию, поскольку допустимая длина такого канала исчисляется сотнями

метров. За обмен информацией между сервером АСДУ и терминалами операторов (диспетчеров) отвечает сеть Ethernet 10Base-T. Повышенные требования к надёжности и скорости передачи информации в отдельных секторах системы привели к необходимости локального применения волоконно-оптических линий связи. Задачу преобразования среды передачи для Ethernet (переход с 10Base-TX на 100Base-FX) решают модули ADAM-6542 фирмы Advantech. Мониторинг и управление климатическими системами здания выполняются с помощью специализированных контроллеров ТАС. Для измерения электрических параметров входной цепи в реальном времени были задействованы регистраторы Wattnode+. Таким образом система получает информацию о токах, напряжениях, частоте, активной и реактивной мощности на вводе, используя эту информацию как для мониРис. 4.48. Векторная диаграмма, отображающая торинга, так и для анапараметры работы одного из силовых лиза. Выдаваемые систетрансформаторов мой данные позволяют диспетчеру отслеживать ситуацию по создаваемым «на лету» векторным диаграммам (рис. 4.48), выход любого из параметров за пределы допустимых значений не останется без его внимания. Замер токов на отводах ГРЩ производится при помощи измерительных преобразователей (токовых измерителей) фирмы Weidmiiller. В описываемой АСДУ задействовано в общей сложности более 50 свободно программируемых контроллеров, а также маршрутизаторы, измерители, преобразователи, регистраторы, модули ввода-вывода, интерфейсные модули и множество дополнительного исполнительного оборудования (электроприводы клапанов и задвижек, автоматические жалюзи, реле и пусковые устройства). Следует отметить, что при выборе оборудования надо особое внимание уделять вопросам совместимости оборудования различных производителей. Несмотря на соответствие стандарту, различное LonWorks-оборудование ориентировано на решение многочисленных задач и имеет различные параметры. Совместимость совместимостью, но практика показывает,

что контроллер определённого типа может прекрасно работать с инженерными системами и совершенно не подходить для мониторинга, скажем, системы электроснабжения. Часто из-за слишком слабых сигнальных токов контроллеров приходится включать в низовые схемы дополнительные реле, пусковые устройства и всевозможные электроприводы, например для эффективного автоматизированного управления клапанами и вентилями. Это обстоятельство приходится учитывать при проектировании практически всех проектов. Справедливости ради надо заметить, что некоторые производители LonWorks-оборудования уже начали выпуск контроллеров с увеличенными (до 2 А) сигнальными токами. Таким образом, перед разработчиком встает задача не просто подобрать совместимое оборудование, но и выступить в качестве проектного эксперта, основываясь на собственном практическом опыте. При этом очень важно учесть всё разнообразие дополнительного низового оборудования, которое может понадобиться для реализации комплексного решения. Именно поэтому далеко не каждая компания, стремящаяся занять своё место на рынке систем автоматизации, в состоянии довести проект до реализации на практике. В основу выбора программного обеспечения (ПО) АСДУ была положена необходимость обеспечения развитой интеграции с инженерными системами применительно к шинной топологии LonWorks. В результате была применена одна из наиболее функциональных ОРС-ориентированных инструментальных сред – GENESIS32 Enterprise Edition компании Iconics. Перед разработчиками стояла задача не только визуализировать все контролируемые параметры, сделав мониторинг и управление системой интуитивно понятными, но и обеспечить ведение журнала событий с тщательным и точным документированием всех параметров. Решающими особенностями данного ПО, определившими его выбор, стали способность среды GENE-SIS32 работать с базой MySQL, а также современная система защиты от несанкционированного доступа к приложениям, что для банка является серьёзным аргументом. Данная современная SCADA-система, с одной стороны, достаточно адаптирована к самым разнообразным требованиям, а с другой стороны, позволяет реализовать настолько простую для восприятия визуализацию, насколько это допустимо в каждом конкретном случае, чтобы исключить необходимость предварительного обучения операторов. В описываемом проекте система визуализации включает в себя более сотни экранов диспетчеризации, охватывающих все инженерные системы здания (рис. 4.49). Часть из них представляет собой мнемосхемы и анимированные графики событий, часть – журналы аварийных и предупреждающих событий, а также специально разработанные экраны процедур самодиагностики АСДУ.

Рис. 4.49. Пример экрана диспетчеризации: анимированная схема параметров работы одного из кондиционеров системы центрального кондиционирования воздуха

Система работает в реальном времени с более чем 1700 сигналами, генерируя сотни статусных и аварийных сообщений. При наступлении критической ситуации АСДУ производит включение аварийной сигнализации, автоматически отмечая в журнале всю хронологию и последовательность дальнейших событий. Выдача задокументированной отчётности диспетчерской смены, а также информации о суточном потреблении электроэнергии, воды, тепла и холода полностью автоматизирована. Использование АСДУ на описываемом объекте разом решило все имевшиеся проблемы управления инженерными системами. Благодаря ранжированию нагрузок и автоматическому переключению их при возникновении перегрузок на вводе все важные для жизнеобеспечения здания инженерные системы защищены от внезапного непрогнозируемого отключения. Более того, служба эксплуатации здания получила мощнейший инструмент, позволяющий не только собирать информацию об определённых параметрах в реальном времени, но и проводить её анализ. В результате такого анализа выяснился, например, факт наличия бестоковых пауз в питании силовых трансформаторов, о чём до внедрения АСДУ можно было только догадываться.

4.9. Вихревые гидрокавитационные установки – путь к энергоресурсосбережению и повышению качества строительных материалов [91] В последние годы во всем мире резко возрос интерес к вихревым гидрокавитационным установкам (ВГКУ). Это обусловлено их уникальными возможностями, которые в ряде случаев выходят за рамки существующих физических представлений. В строительной индустрии весьма перспективной сферой применения ВГКУ является кавитационная активация цемента в роторных аппаратах с модуляцией потока (рис. 4.50), которая используется для улучшения механических свойств бетона или экономии цемента на 15% (по весу) без изменения механических свойств бетона. Производство мелкодисперсных составов и смесей обеспечивает повышение свойств изготавливаемых из них материалов и изделий в среднем на 15 – 20%. В аспекте энергоресурсосбережения весьма перспективным представляется применение для нагрева воды вихревых гидрокавитационных тепРис. 4.50. Роторный аппарат с модуляцией логенераторов (ВГКТ) (рис. 4.51), обладающих потока высокой энергоэффективностью. По различным данным, их КПД близок к 1, причем примерно в 10% испытаний (по утверждениям экспериментаторов) было зарегистрировано тепловыделение, превышающее затраты электроэнергии на привод насосов. Многие исследователи связывают это с кавитацией, при которой выделяется большое количество тепла. О широком распространении ВГКТ свидетельствует пример фирмы НОТЕКА, более 300 теплогенераторов которой успешно работают в странах СНГ и дальнего зарубежья. Другой весьма перспективной сферой энергоресурсосбережения является использование ВГКУ для приготовления водомазутных эмульсий (ВМЭ). Применение ВГКУ (рис. 4.52) обеспечивает повышение КПД котлов в среднем на 5%, надежное распыление и горение ВМЭ при низких температурах (до – 67 °С), устойчивое горение мазутов с влагосодержанием до 30%, снижение токсичности дымовых газов (Nox – на 50 – 55%, сажи – на 70 – 80%) и хранение ВМЭ более года. Проводятся исследования по созданию принципиально нового вихревого двигателя на ртути (рис. 4.53), при работе которого также наблюдаются кавитационные явления. Высокие потенциальные возможности ВГКУ предопределили их активную

разработку и исследования в ряде крупнейших научных центров России: ракетно-космической корпорации «Энергия», Московском энергетическом институте, НПО «Молния», НИИ космических систем ГКНПЦ им. М.В. Хруничева, ВНИИ неорганических материалов им. А.А. Бочвара и др. Эксперименты показали, что во время работы ВГКУ генерируют продольные электрические волны (ПЭВ), которые хорошо проходят через человека и воздействуют на него. Подобные волны были зарегистрированы при исследовании преобразователя энергии конструкции Ю.И. Краснова (рис. 4.54), ВГКТ, вихревого двигателя на ртути и генератора продольных электромагРис. 4.51. Исследование нитных волн. Повреждающее воздействие ВГКТ НТК-37 последнего было зарегистрировано во время экспериментов, когда произошел отказ регистрирующего компьютера NOTEBOOK, расположенного на расстоянии 3 м от генератора. Работа компьютера восстановилась спустя 30 мин после удаления его от генератора на расстояние 6 м и размещения за кирпичными стенами суммарной толщиной 80 см. Исследования экологической чистоты ВГКТ и генератора продольных электромагнитных волн с помощью диагностической компьютерной системы «ФОБОС» показали, что человеческий организм и его функциональные системы по-разному реагируют на работу этих установок. Отмечено даже, что при работе в некоторых режимах ВГКТ влияют на отдельных людей подобно наркотикам. Эти настораживающие результаты исследований ВГКУ и необходимость Рис. 4.52. Кавитатор для обеспечения их экологической чистоты приготовления водомазутной предопределили высокую актуальность эмульсии исследований влияния ПЭВ на человека. Исследования экологической чистоты были начаты с изучения влияния ПЭВ на активность головного мозга. В каждом из экспериментов по изучению влияния ПЭВ на состояние сознания и биоэлектрическую активность мозга было проведено по 20 испытаний: 10 испытаний – воздействие и 10 испытаний – «плацебо». В процессе каждого из состояний регистрировали биоэлектрическую активность мозга продолжительностью 2 мин. Регистрацию проводили на 16-канальном нейрокартографе по стан-

дартным монополярным отведениям в соответствии с принятой международной схемой. Наряду с визуальной оценкой динамики активности мозга проводили исследование распределений на поверхности головы спектральной мощности отдельных частот колебаний биопотенциалов в диапазонах дельта (0,1...3 Гц); тета (4...6 Гц); альфа (7...13 Гц); бета1 (14...20 Гц); бета2 (21...32 Гц) и Рис. 4.53. Исследование вихревого межцентральных отношений биодвигателя ртути электрических процессов методом спектрально-когерентного анализа. Для этого использовали компьютерную систему анализа и топографического картирования «Brainsys». Воздействие ПЭВ моделировалось с помощью генератора продольных электромагнитных волн, которые транспортировались по металлическим трубкам и воздействовали на биологически активные точки ХЭ-ГУ испытуемых. В процессе испытаний были получены следующие результаты. Биоэлектрическая активность мозга у испытуемых в обычном состоянии бодрствования с закрытыми глазами характеризовалась признаками выраженного альфа-ритма с зональными различиями при отсутствии каких-либо патологических паттернов. Наибольшее количество когерентных связей наблюдалось в альфа- и тетадиапазонах волн (рис. 4.55А). При проведении испытаний по воздействию ПЭВ сравнивали результаты группового анализа активности мозга в состоянии «плацебо» (10 испытаний) с результатами непосредственного воздействия (10 испытаний). Наблюдалось возрастание спектральной мощности тета-ритма в передних (лобно-центральных) отделах мозга при воздействии, которое статистически значимо отличалось от «плацебо» (р<0,01). Такое распределение тета-ритма может наблюдаться в состоянии глубокой мышечной релаксации, Рис. 4.54. Преобразователь при переходе от состояния бодрствования ко энергии конструкции Ю.И. Краснова сну и при некоторых техниках медитации.

Наиболее выраженные изменения характеризовались резким возрастанием количества высококогерентных (r >0,8) связей между отдельными зонами коры головного мозга практически на всех наблюдаемых частотах биоэлектрической активности (рис. 4.55В). По описанию субъективных ощущений испытуемых, во время воздействия они «ощущали» явления, которые наблюдались и были описаны ранее у лиц в состояниях глубокой медитации и, как правило, у целителей-биоэнерготерапевтов в процессе диагностики и коррекции здоровья пациентов. Отдельные исследования показывают, что высокие уровни когерентности у одних субъектов достоверно влияют на уровни когерентности в разных диапазонах частот у других. Поэтому можно предположить, что высокий уровень когерентности ритмов, наблюдаемый в данном исследовании, является не только следствием прямого влияния ПЭВ на структуры мозга, но и что ПЭВ являются составляющими энергетическими носителями передачи неосознаваемой информации между субъектами.

Рис. 4.55. Когерентные связи в коре головного мозга (ориентация поверхности головы: верх – лобные, низ – затылочные отделы) в отдельных диапазонах частот дельта, тета, альфа, бета1 и бета2: А – в состоянии спокойного бодрствования; В– под воздействием продольных электрических волн

Здесь представляется важным акцентировать внимание на экспериментальных результатах, свидетельствующих о хорошем распространении ПЭВ по каналам телефонной связи. Измерения показали, что во время генерации ПЭВ в микрофон передающего телефона, находящегося на расстоянии более 20 км от принимающего, на детекторе ПЭВ в телефоне-приемнике регистрируется увеличение напряжения до 2 мВ при шумовом значении 1 мВ. Эксперименты экологической направленности проводились по

утрам под музыку П.И. Чайковского «Времена года». При передаче по телефону ПЭВ наблюдалось изменение психофизиологического состояния людей, слушающих музыку по телефону. Дальнейшее изучение такого воздействия обеспечит разработку высокоэффективных методов и средств аурикулотерапии для лечения различных болезней и корректировки психофизиологического состояния людей путем воздействия модулированных ПЭВ на биологически активные точки уха. Таким образом, вихревые гидрокавитационные установки способны внести весомый вклад в решение многих актуальных задач энергоресурсосбережения и повышения качества строительных материалов и изделий. Вместе с тем прежде, чем широко внедрять ВГКУ в народное хозяйство, необходимо провести комплексные исследования их экологической чистоты.

Раздел 5

АВТОМАТИЗАЦИЯ УПРАВЛЕНИЯ СТРОИТЕЛЬНЫМ ПРЕДПРИЯТИЕМ

5. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ВОПРОСОВ УПРАВЛЕНИЯ СТРОИТЕЛЬНЫМ ПРЕДПРИЯТИЕМ 5.1. Роль АСУП в управлении предприятием Строительное предприятие – сложная система, эффективность которой зависит от слаженной работы всех структурных подразделений и функциональных служб. Важную роль в его деятельности играет управление производством. При переходе строительных предприятий на работу в условиях рыночной экономики неизбежно возрастает значение управлением производством, в частности автоматизированных систем управления (АСУП). [95] Работа предприятий в условиях рыночной экономики поставила новые задачи и цели в области совершенствования управления с применением АСУП на основе комплексной автоматизации управления всеми процессами предприятия – от функционально-экономических и технологических до проектирования изделий, конструкций, технологий и их изготовления. При этом АСУП является составной частью механизма реализации экономических, хозяйственных, технических и других задач на предприятии. Функционирование АСУП на предприятии позволяет повысить степень информированности руководителей и управленческого персонала о ходе и результатах производственно-хозяйственной деятельности, а также обеспечивать их необходимыми данными, плановыми и аналитическими расчетами, информацией для принятия эффективных, оперативных управленческих решений. При этом повышается научная обоснованность и объективность принятых решений за счет повышения достоверности поступающей информации о состоянии производства, о его ресурсах, узких местах, изменения состояния производства. Это приводит к увеличению времени для творческой работы работников аппарата управления за счет освобождения от работ рутинного характера. Таким образом, АСУП позволяет повышать степень обоснованности принимаемых решений и за счет быстрого сбора и обработки информации обеспечить своевременность принятия решений по управлению производством в условиях действия рыночной экономики.

Своевременность представления всей необходимой информации руководителям и всем работникам на различных уровнях управления на предприятии из единого информационного фонда позволяет значительно повысить эффективность управления, обеспечивать четкую согласованность решений, принимаемых на различных уровнях управления и в различных структурах предприятия. Информированность рабочего состава, ИТР и руководителей о текущем состоянии производства является важным рычагом обеспечения роста производительности труда, сокращения непроизводительных потерь. Автоматизированная система управления (АСУ) – это система «человек–машины», обеспечивающая эффективное функционирование объекта, в которой сбор и переработка информации, необходимой для реализации функций управления, осуществляются с применением средств автоматизации и вычислительной техники. Создание и функционирование АСУ должно базироваться на общих организационно-экономических принципах. К ним относятся: единство управления на всех уровнях народного хозяйства в сочетании с разнообразными формами и методами управления в зависимости от особенностей производства; обеспечение пропорциональности и оптимальности на всех уровнях системы; достижение непрерывности и ритмичности использования и качественного обновления производственных фондов; разумное сочетание централизации и децентрализации в управлении; оптимальное число звеньев производственной структуры предприятия, объединения отрасли, народного хозяйства в целом; системная адаптация, обеспечивающая способность АСУ автоматически приспосабливаться к изменяющимся внешним и внутренним условиям, а также наиболее эффективный режим ее функционирования. 5.1.1. Классификация АСУ по основным признакам Классификация АСУ представлена на рис. 5.1. Ниже рассмотрим несколько подробнее АСУ по уровню управления предприятием. АСУП состоит из коллектива работников аппарата управления, комплекса технических средств, различных методик и инструкций по управлению предприятием, носителей данных (информации). 5.1.2. Научно-технический уровень АСУП Научно-технический уровень (НТУ) АСУП представляет собой совокупность показателей, характеризующих степень соответствия технико-экономических характеристик АСУП современным достижениям

научно-технического прогресса и требованиям конкретного предприятия. Таким образом, научно-технический уровень АСУП (Уасуп) можно рассчитать по формуле k Уасуп = Уф + å Pi , n =1 где Уф – обобщенный показатель, характеризующий НТУ функционального назначения АСУП; Pi – единичные показатели, характеризующие надежность, технологичность, уровень унификации и стандартизации эргономического обеспечения АСУП; k – количество единичных показателей, учитываемых при определении НТУ АСУП. [95] 5.1.3. Экономическая эффективность АСУП Различают экономическую эффективность АСУП в народнохозяйственном масштабе и локальную, в масштабе предприятия (объединения). Необходимо, чтобы внедрение АСУП обеспечивало эффективность в обоих случаях. Современная вычислительная техника позволяет на одних и тех же аппаратных средствах выполнять задачи АСУП и АСУТП посредством построения интегрированных систем ИАСУ. 5.1.4. Автоматизация проектирования АСУП Для автоматизации работ по проектированию АСУ предприятиями в последние годы стали использоваться различные автоматизированные системы (АРИУС, САПР, РПАСУП и др.). Автоматизированная система проектирования АРИУС (автоматизированная разработка информационно-управляющих систем) разработана коллективом под руководством академика В.А. Трапезникова и В.Л. Эпштейна. Цель этой системы – создать самообразующие средства для ИАСУ. В основу АРИУС положены два принципа: архитектурная концепция и информационное управление. Архитектурная концепция сводится к тому, что при разработке ИАСУ разграничивается деятельность человека и машины. Человек в ИАСУ обязан сам определять свои потребности. Задача архитектора системы – выявить требования будущего пользователя и сформулировать их в таком виде, чтобы конструктор системы мог ее разработать с требуемыми свойствами. Исходя из этого, задачами выбора архитектуры ИАСУ являются анализ объекта и разработка на этой основе структуры новой

системы управления и подробных спецификаций на сопряжение абонентов с машинной частью ИАСУ. Информационное управление сводится к выявлению потоков информации с их количественными и качественными характеристиками, отражающими функции ИАСУ и технологию согласованного управления.

Рис. 5.1. Классификация автоматизированных систем управления

Использование средств АРИУС позволяет: исключить необходимость разработки алгоритмов и программирования большого числа задач учета и отчетности; устранить этап разработки системных алгоритмов и программ, образующих процесс обработки данных; автоматизировать формирование интегрированной базы данных на основе системных описаний отдельных задач; преодолеть языковый барьер между разработчиками и пользователями. Для управленческого персонала появляется возможность читать формальные описания задач на языке АРИУС, что помогает пользователям активно и эффективно участвовать в разработке системы, а также снижать затраты на её внедрение, освоение и совершенствование. При использовании средств АРИУС отпадает необходимость разработчикам тратить время и силы на изучение операционных систем, систем управления базами данных, рутинную работу, появляется возможность сосредоточить внимание на архитектуре ИАСУ и достижении конечной цели, постепенно расширить функции системы в процессе её эксплуатации за счет включения оптимизационных модулей и аппарата таблиц решений задач планирования и управления. Автоматизация проектирования АСУП с помощью АРИУС и др. систем позволяет широко применять прогрессивные, типовые и стандартные проектные решения, методы, расчеты, различные нормативные и справочные данные, четкую организацию проектных работ, эффективные математические модели, методы моделирования и оптимизации на всех основных стадиях проектирования; средства автоматизации трудоемких и рутинных проектных работ; замену макетирования математическим моделированием; метод многовариантного проектирования и оптимизации. 5.1.5. Современные направления развития АСУП [96] Переход всех предприятий строительной индустрии на условия рыночной экономики, полный хозрасчёт и самофинансирование, расширение хозяйственной самостоятельности требуют качественно нового уровня управления производством. Здесь первостепенное значение имеет дальнейшее развитие и повышение эффективности автоматизированных систем управления. Современное направление развития АСУП определяется совершенствованием в первую очередь технического, информационного, программного и математического обеспечения. К главным направлениям в настоящее время относятся: создание многоуровневых интегрированных АСУ, реализация концепции баз данных, широкое применение персональных компьютеров и создание на их основе микропроцессорных систем, внедрение терминальных устройств и систем телеобработки

данных, максимальная автоматизация функций пользователя путем создания высокоэффективных АРМ на базе персональных компьютеров (ПК), повышение экономической эффективности действующей АСУП. Развитие вычислительной техники и программных средств, создание гибких производственных систем (ГПС), автоматизация и роботизация производства создали предпосылки для появления АСУ нового типа – многоуровневых интегрированных АСУ (ИАСУ). Многоуровневые (ИАСУ) включают системы организационного типа (АСУП) и управления технологическими процессами (АСУТП), системы автоматизированного проектирования (САПР) различных типов, АСУ ГПС, автоматизированные системы научных исследований (АСНИ).

5.2. Разработка специального ПО АСУ строительным предприятием (АСУ СП) [95] Современное строительное предприятие характеризует существенная территориальная распределенность и необходимость совместной работы множества сотрудников, часть из которых могут не иметь постоянного рабочего места, т. е. быть мобильными. Решение проблемы координации совместной работы невозможно без применения компьютерных технологий, в т. ч. без объединения рабочих мест пользователей в вычислительную сеть. АСУ СП обеспечивает ведение оперативного, бухгалтерского и управленческого учета и строится на основе единого информационного пространства, охватывая и координируя всю совокупность управленческих процессов предприятия. Для формализации моделируемой системы опишем объект строительства, средства его возведения и правила их взаимодействия и управления в ходе строительства. Объект строительства: n,m,V={Vij}; G={G ij1,j2}; D={Di,j}; Tдир, где п – число пространственных участков (захваток); m – число работ; Vij– объем j-й работы на i-м участке (элемент матрицы V); Gij1,j2 – технологическая последовательность выполнения работ на i-м участке (элемент матрицы G); Di,j – максимальное технологически допустимое количество ресурсов j-го типа на i-м участке (элемент матрицы D); Tдир – срок возведения объекта. Строительный объект разбивается на подсистемы с учетом особенностей объемно-планировочных и конструктивных решений на п пространственных участков, на каждом из которых должен быть выполнен

определенный комплекс строительно-монтажных работ, состав которых на участках может быть различным. Для возведения объекта необходимо выполнить т видов работ. Отсутствие любой из работ на участке характеризуется в модели нулевым объемом работ (Vij=0). Таким образом, матрица объемов работ V содержит информацию о составе работ и распределении их объемов по участкам. Требования к технологической последовательности выполнения работ, отражающие особенности строительного объекта и технологии возведения, отображаются для каждого участка в виде технологического графа. В то же время технологический граф может быть единым для всех участков объекта, если составы работ на участках и условия их выполнения одинаковы. В модели технологическая последовательность производства работ представляется матрицей G, элементы которой определяются из соотношения

G ij × j = 1 2

1, если j1- ю работу на i-м участке можно выполнять только после завершения на нем j2- й работы ; 0, если j1- ю работу можно производить на i-м участке до или после выполнения на нем j2- й работы.

Деление всего комплекса строительно-монтажных работ на отдельные виды работ производится в соответствии со специализацией производственных бригад (звеньев). При этом предполагается, что каждая специализированная бригада может выполнять только один вид работ и бригады разных специальностей не взаимозаменяемы. Для выполнения каждого вида работ устанавливается с учетом специфики возводимого объекта минимальный состав бригады (звена) рабочих, который принимается за единицу ресурса типа мощности и уменьшен быть не может. Полагаем, что специализированная бригада или звено (единица ресурса) оснащена необходимыми механизмами и инструментом для выполнения соответствующих работ. Каждый участок имеет предел насыщения фронта работ ресурсами, обеспечивающий их производительную работу, т. е. на каждом конкретном участке при выполнении любого вида работ существует фронт работ для одновременного включения в работу определенного числа бригад (звеньев). Этот предел будем называть максимальным технологически допустимым количеством ресурсов и представим его в модели матрицей D, в которой тип ресурса соответствует виду работ. Известно, что для каждого промышленного объекта или комплекса существует нормативная продолжительность строительства, на основе

которой планируются сроки ввода. При строительстве нетиповых объектов или уникальных сооружений, а также при специфических (сложных) условиях возведения объектов устанавливаются директивные сроки строительства. В любом случае организация возведения объектов предусматривает задание сроков (продолжительности) строительства для их обоснования или контроля. Поэтому важной характеристикой строительного объекта является продолжительность его возведения Tдир. Средства возведения объекта:

r = { r j }; L H = { l Hj } , где r – матрица-вектор наличного количества ресурсов типа мощности (каждого типа) на стройплощадке; rj – наличное количество ресурсов j-го типа на стройплощадке; LH – матрица-вектор нормативных интенсивностей работы ресурса каждого типа за смену; LHj – нормативная интенсивность работы (выработка) единицы ресурса j-го типа за смену (элемент матрицы LH). Строительные организации располагают ограниченным числом бригад (звеньев) разной специализации, которые могут привлекаться для выполнения строительно-монтажных работ на объекте. В модели число бригад разного типа (специализации) представляется в форме матрицы LH. Оперативное управление строительством:

t п = { t iп, j }, R Tj , П 1 , П 2 , П 3 , П 4 , П 5 , П 6 ,d ( t )i , j , где tп – матрица относительных сроков прибытия бригады на объект строительства; tпi,j – относительный срок прибытия на объект бригад для выполнения j-й работы; RTj – число бригад, используемых в период строительства объекта T для выполнения j-й работы; П1 П2 – правила проверки наличия подготовленных фронтов работ (участков) для включения в работу бригад; П3, П4 – правила назначения бригад на участки; П5, П6 – правила освобождения бригад с участков; d(t) i,j – продолжительность выполнения j-й работы на i-м участке. Основная задача организации возведения строительных объектов и комплексов заключается в обеспечении запланированных сроков строительства за счет выбора рационального движения бригад по мере подготовки фронтов для выполнения соответствующих строительномонтажных работ. Продолжительность выполнения работ и сроки их окончания на участках есть величины случайные. В модели продолжительности работ задаются по каждому виду работ соответствующими функциями распределения, построенными на основе

статистических данных. При получении статистических данных по интенсивностям работ (фактическим выработкам) функции их распределения предварительно трансформируются в функции распределения продолжительностей работ. При случайном характере освобождения бригад и подготовки фронтов работ возможны простои бригад и участков. Суммарные величины этих простоев за весь период строительства объекта являются показателем уровня организации его возведения. Число бригад, используемых из наличного состава rj за период возведения объекта Т, принимается за переменную величину RTj , которая в разные отрезки времени может быть меньше или равна rj, в зависимости от величины их простоя. В качестве основных параметров функционирования моделируемой системы приняты продолжительность работ d(t) i,j, сроки их окончания Ri,j, величина используемых ресурсов RТj , время простоев ресурсов FТJ и фронтов работ FТi за весь период строительства Т, математическое ожидание общего срока возведения объекта MT и средневзвешенный квадрат отклонения значений общего срока возведения от его математического ожидания s2T. Оперативное управление ресурсами осуществляется дискретно в моменты прибытия бригад на объект или их освобождения с очередного участка объекта, т. е. характеризуется изменением состояния ресурсов типа мощности. При этом предполагается, что в периодах между моментами прибытия и освобождения бригад с участков величина ресурсов постоянная, а состояние объема работ (накопление подготовленных фронтов работ) изменяется. Управление перемещением бригад по участкам объекта в процессе выполнения строительно-монтажных работ представлено в модели совокупностью управляющих правил: П= П1 – П6. Правила П1 и П2 являются ограничениями для назначения бригад на участки объекта. По правилу П1 бригада может начать работу на участке только в том случае, если на этом участке выполнены все работы, технологически предшествующие предстоящей. По правилу П2 бригада может начать работу на участке только тогда, когда участок либо свободен, либо занят бригадами того же типа и их работу можно интенсифицировать, т. е. довести число работающих бригад на участке до максимального технологически допустимого количества Di,j. Правилами П3 и П4 назначаются бригады на участки объекта. По правилу П3 бригады направляются для работы на тот участок, на котором аналогичные работы уже выполняются и которые можно интенсифицировать. Назначение бригад должно производиться так, чтобы суммарное число бригад, работающих на участке, не превысило их максимальной технологически допустимой величины. Если имеется несколько участков, на которые можно будет назначить бригады данного типа, то в первую

очередь они направляются на участок, где средняя суммарная продолжительность всех оставшихся работ наибольшая. Средняя продолжительность всех оставшихся работ вычисляется при условии максимального насыщения фронта работ ресурсами. Эта процедура повторяется до тех пор, пока с учетом указанного приоритета все имеющиеся бригады не будут распределены по соответствующим участкам. По правилу П4 бригады направляются на свободный (незанятый в рассматриваемый момент) участок объекта. Если имеется несколько свободных участков с подготовленным фронтом работ для бригад одного типа, бригады распределяются по участкам в соответствии со средними суммарными продолжительностями оставшихся работ. Если на один свободный участок могут быть назначены бригады разных типов (есть возможность выбора), то правило предусматривает назначение бригад на участок с учетом следующих условий: при di,j1 ≤ RTj1(t) и di,j2 > RTj2(t) на участок направляются j1-е бригады; при di,j1 > RTj1(t) и di,j2 ≤ RTj2(t) на участок направляются j2-е бригады; при di,j1 ³ RTj1(t) и di,j2 ³ RTj2(t) или при di,j1 < RTj1(t) и di,j2 < RTj2(t) на участок направляются первые по номеру бригады (например, j1-е бригады для j1< j2). Если имеется несколько типов незанятых специализированных бригад, несколько свободных участков и для одного из участков есть возможность выбора, т. е. на этом участке подготовлен фронт работ для двух и более типов бригад из числа имеющихся, то назначение на участок бригад того или иного типа производится следующим образом: 1) свободные участки без возможности выбора группируются по признаку (типу) бригад, для которых на участках подготовлен фронт работ (признак однородности подготовленных фронтов работ); 2) участок с возможностью выбора относится к той или иной группе участков в соответствии со следующими условиями: при ådi,j1 ≤ åRTj1(t) и ådi,j2 > åRTj2(t) участок относится к j1-й группе участков; при ådi,j1 > åRTj1(t) и ådi,j2 ≤ åRTj2(t) участок относится к j2-й группе участков; при ådi,j1 ³ åRTj1(t) и ådi,j2 ³ åRTj2(t) или ådi,j1 < åRTj1(t) и T ådi,j2 < åR j2(t) участок относится к той группе, в которой число участников меньше; при равенстве числа участников в группах участок с возможностью выбора относится к первой по номеру группе (например, j1-е бригады для j1< j2); 3) бригады каждого типа распределяются по участкам соответствующих групп согласно средним суммарным продолжительностям оставшихся работ.

При нескольких свободных участках с возможностью выбора процедура назначения бригад остается аналогичной. При наличии бригад одного типа и одного соответствующего им свободного участка назначение бригад на участок производится без учета изложенных выше условий. Правила П5 и П6 являются правилами освобождения бригад с участков объекта. По правилу П5 бригады считаются простаивающими из-за отсутствия соответствующих свободных участков с возможностью доназначения, а также, если на свободных участках к рассматриваемому моменту времени не выполнен весь комплекс технологически предшествующих работ. По правилу П6 бригады считаются закончившими работу на объекте и выбывшими с объекта, если они не могут быть использованы для интенсификации соответствующих работ.

Рис. 5.2. Общая архитектура корпоративной информационной системы

В случае одновременной занятости бригад одного типа на нескольких участках и последовательности их освобождения с участков предусматри-

вается уход с объекта бригад, которые окончили работу. При проектировании архитектуры АСУ СП учтена необходимость обеспечить возможность одновременной работы нескольких пользователей, в т. ч. стационарных и мобильных удаленных пользователей в различных режимах посредством вычислительной сети. Предложенная архитектура АСУ СП, представленная на рис. 5.2, представляет собой архитектуру вида «многозвенный клиент-сервер». Компонент АСУ СП, реализующий разработанные методы автоматизации планирования поступлений и отгрузок материальных ресурсов, спроектирован с использованием технологии СОМ. Технология СОМ определяет стандартный механизм, с помощью которого одна часть ПО предоставляет свои сервисы другой. Применение данной технологии позволяет встраивать разработанный двоичный компонент в АСУ СП, а также в прочее ПО, т.е. повторно его использовать при создании ИС в дальнейшем. Компонент АСУ СП, автоматизирующий управление поступлениями и отгрузками материальных ресурсов предприятия реализован с использованием языка C++ в среде C++Builder. В качестве сервера БД компонент использует СУБД Microsoft SQL Server 7000.

5.3. Модели и алгоритмы постановки задач разработки АСУ промышленными объектами При создании АСУ сложными промышленными объектами, относящимися к классу больших систем, часто возникает необходимость в научном обосновании правильности выбора целей и задач, достигаемых в процессе функционирования разрабатываемой системы управления. Традиционно данная проблема решается на основе системных исследований, с решения которых можно начать операцию по достижению выбранной цели [96]. Известно, что от качества выполнения данных исследований, важным этапом которых является формирование целевой структуры или дерева целей, во многом зависит обоснованность принимаемых решений, степень достижения генеральной цели и общее время, необходимое для проектирования и внедрения разрабатываемой системы управления. Проведенный в работах [5, 6] анализ методик построения деревьев целей показал, что большинство из них восходит к машинноинформационной системе ПАТТЕРН, разработанной специалистами компании RAND для помощи Президенту США в подготовке решений научно-информационными методами [7]. На презентации данной системы, прошедшей в Конгрессе США в августе 1964 г., сенатор Г. Хемфри

охарактеризовал ее значение следующим образом: «От изобретения и использования таких средств и систем зависит не только решение массы текущих проблем, но и сохранение нашего положения в мире. ... Совершенно очевидно, что многие текущие и надвигающиеся проблемы нашего общества останутся нерешенными, пока мы не создадим и не применим информационные системы и средства подготовки решений, соответствующие тем изменениям, которые происходят и будут происходить как внутри страны, так и в международном масштабе» [7]. Создание и практическое применение системы ПАТТЕРН стимулировало проведение работ в области прикладного системного анализа, привело к развитию моделей и методов программно-целевого управления, успешно реализованных в т. ч. и при создании автоматизированных систем обработки информации различного уровня. В ходе выполнения этих исследований было разработано специализированное математическое обеспечение, формализующее процесс построения деревьев целей, которое в дальнейшем было успешно применено при программно-целевом управлении предприятиями различных отраслей промышленности (система ДИСУФР [4], VARIANT [5] и др.). Между тем накопленный за истекшие десятилетия опыт практического использования моделей и методов программно-целевого управления выявил ряд особенностей ПАТТЕРН и родственных ей систем, негативно влияющих на оперативность и качество управленческих решений, принимаемых на основе анализа дерева целей. Так, стало очевидным, что процесс достижения каждой цели может зависеть от большого количества различных взаимосвязанных условий, проверка выполнения или не выполнения которых представляет собой весьма сложную логическую задачу. Достаточно часто эти условия известны лишь ограниченному кругу специалистов, плохо поддаются формализации и могут значительно изменяться во времени. Так, например, на возможность успешной реализации локальной цели, связанной с ликвидацией чрезвычайной ситуации, возникшей в результате разрыва продуктопровода на химическом предприятии, существенно влияет несколько десятков факторов, входящих в состав многочисленных условий, формируемых оперативно-диспетчерским персоналом предприятия на основе личного опыта, знаний особенностей объекта и системы управления, интуиции. При анализе целевых структур, состоящих из десятков или сотен локальных целей, лицу, принимающему решение (ЛПР), весьма трудно оперативно оценить возможность реализации генеральной цели, на процесс достижения которой влияет большое количество различных взаимосвязанных факторов, входящих в состав многочисленных логически сложных условий, со многими из которых ЛПР, в силу различных причин, может оказаться недостаточно знаком.

Указанное обстоятельство обусловливает необходимость разработки и внедрения в составе специализированного математического обеспечения, используемого при автоматизированном управлении сложными объектами, новых моделей и алгоритмов, позволяющих проанализировать, как отразится на достижении генеральной цели изменение тех или иных элементов целевой структуры, факторов или условий, что позволит во многом преодолеть указанные трудности. Допустим, что процесс достижения генеральной цели Gz характеризует дерево целей, построенное по одной из известных методик, например [3–5], в виде ориентированного графа G(U, Е), где U – множество вершин графа, соответствующее множеству достигаемых целей; Е – множество дуг графа. Две произвольно взятые вершины ui , uj Î U соединены дугой с началом в i и концом в j в том случае, если между целями zi, zj, соответствующим вершинам ui , uj Î U, существует отношение предшествования R* и zi предшествует zj . Допустим также, что для каждой вершины графа ui Î G(U, Е) известно множество условий condi Î {COND}, препятствующих или способствующих достижению локальной цели zi и сформулированных в виде следующих продукций: ЦЕЛЬ zi БУДЕТ ДОСТИГНУТА (НЕ ДОСТИГНУТА), ЕСЛИ ВЫПОЛНЕНЫ (<УСЛОВИЕ 1>: = F) Н (5.1) (<УСЛОВИЕ 2>: = F) H...H (<УСЛОВИЕ n>), где f , i = 1,n – логико-лингвистические переменные, заданные на i множестве F = {"выполнено"; "не выполнено"}; п – мощность множества condi, т. е. количество условий, влияющих на процесс выполнения цели zi; Н – логико-лингвистическая переменная, заданная на множестве {"AND"; "OR", "NOT'}; AND, OR, NOT – логические операции конъюнкции, дизъюнкции и отрицания соответственно; {COND} – множество условий, влияющих на процесс достижения цели Gz. При необходимости каждое <УСЛОВИЕ i>, i = 1,n может быть представлено экспертами в виде дерева целей G1, которое формируется по тем же правилам, что и граф G(U, E). С учетом сделанных допущений содержательная постановка решаемой задачи имеет следующий вид. Необходимо разработать математические модели и алгоритмы, позволяющие в течение времени ΔT, отведенного ЛПР на обоснование способа достижения поставленной цели Gz, при наличии большого количества условий, влияющих на процесс достижения Gz, выполнить следующие действия: • оперативно проверить возможность достижения генеральной цели Gz в текущий момент времени с учетом всех условий множества {COND}, влияющих на процесс ее осуществления;

• оперативно проверить возможность достижения генеральной цели при заданном наборе условий condiÎ {COND}, i = 1,k , состоящем из k элементов. Математическая модель. В основу разрабатываемой формальной модели положено допущение, что каждая цель zi может быть достигнута только после того, как будут достигнуты все цели, с которыми zi связана на графе G(U, Е) исходящими дугами. С учетом этого условия граф G(U, E) описывается системой продукций, алгоритм формирования которой приведен ниже. 1. Начало алгоритма. 2. На графе G(U, E) определить вершину и* с нулевой полустепенью захода d-{u*) = 0. На дереве целей эта вершина соответствует генеральной цели Gz. 3. На графе G(U, Е) определить все вершины ит0, иk0, иh0, ... , иl0 Î U, соединенные дугами с вершиной и*. В формируемую продукционную модель записать условие: ЦЕЛЬ Gz БУДЕТ ДОСТИГНУТА, ЕСЛИ ДОСТИГНУТЫ ЦЕЛИ, СООТВЕТСТВУЮЩИЕ ВЕРШИНАМ ГРАФА ит0 AND иk0 AND иh0 AND ... AND иl0. 4. Для вершины ит0 определить все вершины ит1, иk1, иh1, ... , иl1,соединенные дугами с вершиной ит0. 5. В формируемой продукционной модели записать условие: ЦЕЛЬ ит0 БУДЕТ ДОСТИГНУТА, ЕСЛИ ДОСТИГНУТЫ ЦЕЛИ, СООТВЕТСТВУЮЩИЕ ВЕРШИНАМ ГРАФА ит1 AND иk1 AND иh1 AND ... AND иl1. 6. Продолжить формирование продукционной модели до тех пор, пока не будут достигнуты конечные вершины графа G(U, E), т. е. вершины с нулевой полустепенью исхода d+(uk) = 0. 7. В формируемую модель добавить продукции (5.1), описывающие условия, влияющие на процесс достижения целей zi. 8. Конец алгоритма. Полученной системе продукций в соответствие ставится логическая функция f ( u1 ,u 2 ,...,u k ) , которая принимает значение 1 при выполнении цели Gz и значение 0 – при ее невыполнении. Каждый аргумент иi этой функции также может принимать единичное или нулевое значение, что будет означать выполнение или невыполнение тех или иных факторов, влияющих на процесс достижения целей zi, входящих в состав графа G(U,E). Для логической функции f ( u1 ,u 2 ,...,u k ) по известным правилам [8– 11] строится цифровое устройство на базе конъюнкторов, дизъюнкторов и инверторов, имеющее ту же таблицу состояний, что и функция f ( u1 ,u 2 ,...,u k ) . При помощи цифрового устройства DU,

практическая реализация которого может быть осуществлена как программным, так и аппаратным путем, решаются следующие задачи: • оценивается возможность достижения цели Gz при большом количестве условий (5.1), выполнение которых сложно проверить логически; • при необходимости составляется альтернативный план мероприятий по достижению цели Gz; • формируются новые условия, при выполнении которых цель Gz может быть достигнута. На текущий момент времени определяются уже достигнутые цели ziÎG(U, E), а также проверяется выполнение условий (5.1). На вход цифрового устройства DU подаются единичные сигналы, соответствующие уже достигнутым целям и выполненным условиям, и нулевые сигналы, соответствующие недостигнутым целям и не выполненным условиям. Определяется величина сигнала на выходе устройства DU. Если он равен 1, то в текущий момент времени не существует препятствий для достижения Gz. При невозможности достижения поставленной цели Gz (нулевой сигнал на выходе DU) путем изменения значений входных переменных и1, и2,..., иk определяются те условия, которые необходимо так изменить для того, чтобы добиться осуществления как отдельных целей zi, и Gz в целом. Вначале выполняется оценка возможности выполнения намеченного плана мероприятий М1, позволяющего достигнуть цели Gz. Если существующий план по тем или иным соображениям не устраивает ЛПР, то выполняются следующие действия: • по разработанной методике формируется логическая функция f ( u1k ,u 2 k ,...,u vk ) , принимающая единичное значение при выполнении и нулевое при невыполнении рассматриваемого плана мероприятий; • при помощи известных правил преобразования выражений булевой алгебры [8–11] логическая функция f ( u1k ,u 2 k ,...,u vk ) преобразуется к функции f * ( u1k ,u 2 k ,...,uvk ) таким образом, чтобы таблицы истинности

f ( u1k ,u 2 k ,...,u vk ) и f * ( u1k ,u 2 k ,...,uvk ) совпадали; • план мероприятий М1 корректируется таким образом, чтобы он соответствовал логической функции f * ( u1k ,u 2 k ,...,uvk ) ; • по логической функции f * ( u1k ,u 2 k ,...,uvk ) синтезируется новое цифровое устройство DU*, на основе которого проверяется возможность выполнения нового плана мероприятий М*. Если данный план не удовлетворяет ЛПР, то формируется новая логическая функция f ** ( u1k ,u 2 k ,...,u vk ) и так до тех пор, пока ЛПР не остановит процедуру автоматизированного синтеза нового плана мероприятий.

Автоматизированное формирование условий, при реализации которых план мероприятий М1 может быть выполнен Данные условия могут быть получены следующим образом. 1. На вход цифрового устройства DU подается т различных комбинаm до тех пор, ций входных сигналов u11 , u12 ,...,u1k , u12 , u 22 ,...,u 2k ,...,u1m , u m 2 ,...,u k пока на его выходе не будет получен единичный сигнал. Соответствующая m заносится единичному сигналу комбинация входных сигналов u1m , u m 2 ,...,u k в память и интерпретируется в виде последовательности условий, при осуществлении которых выполняется план М1. Затем новые условия в виде продукции заносятся в БЗ ИС, используемой при обосновании выбора поставленной цели. 2. На основе аппарата булевой алгебры выполняется преобразование логической функции f 1* ( u1k ,u 2 k ,...,uvk ) к виду f *2 ( u1k ,u 2 k ,...,uvk ) так, чтобы обе логические функции имели одну и ту же таблицу истинности. Для функции f *2 ( u1k ,u 2 k ,...,uvk ) синтезируется цифровое устройство DU2 и выполняются указанные в первом пункте действия по синтезу новых условий достижения Gz. M1

m3

m2

m9

m2

m1

m6 m4

m2

m1

m5

m1

m1

m1

m7

m1

m8

m1

m2

m1

m1

m1

Рис. 5.3. План мероприятий по ликвидации чрезвычайной ситуации

Проиллюстрируем процедуру синтеза цифрового устройство DU, используемого для анализа плана мероприятий M1, практическим примером.

Допустим, что в процессе ликвидации чрезвычайной ситуации, связанной с затоплением городских подземных коммуникационных коллекторов, происшедшим в результате повреждения близлежащих трубопроводов теплоснабжения и водоснабжения, предстоит реализовать план мероприятий M1, граф G1(U, Е) которого приведен на рис. 5.3. Пронумеруем вершины графа и покажем их назначение: M1 – ликвидировать аварийную ситуацию, связанную с затоплением городского подземного коммуникационного коллектора, происшедшего в результате повреждения близлежащих трубопроводов тепло- и водоснабжения (последствия ситуации устранить в течение заданного времени ΔТ, уменьшив при этом до возможного минимума ущерб от перерыва в теплоснабжении жилых объектов, предприятий и организаций); т2 – прекратить дальнейшее поступление горячей и холодной воды в коммуникационный коллектор; т3 – удалить воду из подземного коллектора; т4 – провести ремонт затопленных телекоммуникационных линий; т5 – организовать возобновление подачи горячей и холодной воды в жилые дома, предприятия и организации; т6 – возобновить работу коммуникационных линий; т7 – оценить ориентировочную величину ущерба от происшедшей чрезвычайной ситуации; m8 – занести сведения о происшедшей чрезвычайной ситуации в БД информационной системы; m9 – проинформировать о затоплении подземного коммуникационного коллектора аварийную диспетчерскую службу ГУП «Теплоремонтналадка»; m10 – вызвать для устранения утечки одну из восьми аварийно-восстановительных команд МГУП «Гортеплоэнерго»; m11 –проинформировать АО «Горэнерго» об аварии на кабельных сетях; m12 –проинформировать о чрезвычайной ситуации ГСП «Горколлектор»; m13 –сообщить в префектуру административного округа о времени возобновление подачи горячей и холодной воды в жилые дома; m14 – проинформировать службу главного энергетика (СГЭ) предприятий о времени возобновление подачи горячей и холодной воды; m15 – выяснить у специалистов СГЭ исправность заводской магистрали горячего водоснабжения (опасность промерзания и гидравлического удара); т16 –выяснить у специалистов СГЭ исправность заводской магистрали холодного водоснабжения (опасность промерзания и гидравлического удара); т17 – собрать сведения о величине причиненного экономического ущерба; т18 – собрать сведения о величине социального ущерба; т19 – сообщить о происшедшем в комиссию по чрезвычайным ситуациям города; т20 – при значительном ущербе сообщить о чрезвычайной ситуации мэру города; т21 – проинформировать о чрезвычайной ситуации «Горводосток»; т22 – вызвать на объект для удаления воды одну из 23 аварийно-восстановительных бригад «Горводостока». Опишем граф системой продукций:

ПЛАН М1 БУДЕТ ВЫПОЛНЕН, ЕСЛИ ВЫПОЛНЕНЫ МЕРОПРИЯТИЯ т2 AND m3 AND m4 AND m5 AND m6 AND m7 AND m8 МЕРОПРИЯТИЕ т2 БУДЕТ ВЫПОЛНЕНО, ЕСЛИ ВЫПОЛНЕНЫ МЕРОПРИЯТИЯ m9 AND т10 МЕРОПРИЯТИЕ m3 БУДЕТ ВЫПОЛНЕНО, ЕСЛИ ВЫПОЛНЕНЫ МЕРОПРИЯТИЯ m21 AND m22 МЕРОПРИЯТИЕ m4 БУДЕТ ВЫПОЛНЕНО, ЕСЛИ ВЫПОЛНЕНЫ (5.2) МЕРОПРИЯТИЯ m11 AND т12 МЕРОПРИЯТИЕ m5 БУДЕТ ВЫПОЛНЕНО, ЕСЛИ ВЫПОЛНЕНЫ МЕРОПРИЯТИЯ т13 AND т14 МЕРОПРИЯТИЕ m14 БУДЕТ ВЫПОЛНЕНО, ЕСЛИ ВЫПОЛНЕНЫ МЕРОПРИЯТИЯ m15 AND ml6 МЕРОПРИЯТИЕ m6 БУДЕТ ВЫПОЛНЕНО, ЕСЛИ ВЫПОЛНЕНЫ МЕРОПРИЯТИЯ т17 AND m18 AND (т19 OR m20). Определим дополнительные условия (5.1), влияющие на выполнение отдельных мероприятий данного плана: МЕРОПРИЯТИЕ m15 ВЫПОЛНЯЕТСЯ, ЕСЛИ ВЫПОЛНЕНО УСЛОВИЕ :: = < АВАРИЙНАЯ СИТУАЦИЯ ПРОИЗОШЛА В ПЕРИОД С 15 ОКТЯБРЯ ПО 15 МАРТА >; МЕРОПРИЯТИЕ m4 ВЫПОЛНЯЕТСЯ, ЕСЛИ ВЫПОЛНЕНО УСЛОВИЕ ИЛИ УСЛОВИЕ ИЛИ (УСЛОВИЕ и УСЛОВИЕ ); :: <ЛИНИИ БЫЛИ ЗАЛИТЫ ВОДОЙ БОЛЕЕ 30 МИНУТ>; :: = <ВИЗУАЛЬНО УСТАНОВЛЕНО ПОВРЕЖДЕНИЕ ЛИНИЙ>; :: = < С МОМЕНТА ОБНАРУЖЕНИЯ АВАРИИ ПРОШЛО МЕНЕЕ 2 ЧАСОВ>; :: = <ТЕЛЕКОММУНИКАЦИОННЫЕ ЛИНИИ ОБСЛУЖИВАЮТСЯ ГСП "ГОРКОЛЛЕКТОР">; МЕРОПРИЯТИЕ m7 ВЫПОЛНЯЕТСЯ, ЕСЛИ ВЫПОЛНЕНО УСЛОВИЕ ИЛИ (ВЫПОЛНЕНО УСЛОВИЕ И ВЫПОЛНЕНО УСЛОВИЕ ); :: = <ПРОМЫШЛЕННЫЕ ОБЪЕКТЫ ОБСЛУЖИВАЮТСЯ МГУП (5.3) "ГОРТЕПЛОЭНЕРГО">; :: = <МАГИСТРАЛЬ ХОЛОДНОГО ВОДОСНАБЖЕНИЯ ПОВРЕЖДЕНА>; :: = < ОТОПИТЕЛЬНЫЙ СЕЗОН ОКОНЧЕН>; МЕРОПРИЯТИЯ т19 И т20 ВЫПОЛНЯЮТСЯ, ЕСЛИ ВЫПОЛНЕНО УСЛОВИЕ < Y 9>; :: = <АВАРИЙНАЯ СИТУАЦИЯ БЫЛА УСТРАНЕНА МЕНЕЕ ЧЕМ ЗА 3 ЧАСА>, где – логико-лингвистические переменные; < > – значения логико-лингвистических переменных.

m9

&

m2

m10 m21 Y2 Y4

1

Y3

&

&

m15

m16

&

&

m4

m13

&

m5

M1

m14 1

Y9 m20

m3

m12 &

m19

&

m22 m11

Y5

&

m17 m18

&

m7

&

m6

&

Y9

Y6 Y7

1

&

Y8

m8

Рис. 5.4. Схема цифрового устройства DU

Условия (5.3) определяются, исходя из личного опыта оперативнодиспетчерского персонала МЧС, приобретенного им при ликвидации чрезвычайных ситуаций, интуиции, здравого смысла. Схема цифрового устройства DU, построенного по разработанной методике для продукций (5.2) и (5.3), приведена на рис. 5.4. Задавая на входе цифрового устройства DU различные комбинации входных сигналов и7, и8,..., и22, можно анализировать степень выполнения плана М1, а также определить его так называемые «узкие места», т. е. отдельные еще не выполненные мероприятия и условия (5.1), препятствующие успешному осуществлению всего плана в целом. Сформированное математическое обеспечение позволяет формализовать опыт оперативно-диспетчерского персонала по выбору рациональной стратегии поведения в условиях чрезвычайных ситуаций и способствует повышению оперативности и качества принимаемых управленческих решений. Разработанные модели и алгоритмы находят широкое применение в машиностроении.

5.2. Нейросетевое управление ресурсами в структурном подразделении предприятия [97] Прежде чем приступить к рассмотрению проблемы, следует отметить, что моделирование управления ресурсами подразделения в наибольшей степени подвержено воздействию «человеческого фактора», поскольку мы имеем дело именно с той иерархической составляющей объекта, в которой формируется мотивация персонала. Качественный менеджмент согласно принятым стандартам предполагает заинтересованность персонала и понимание им как своей роли, так и конечной цели в производственноэкономическом процессе. Следует также учесть, что ресурсные составляющие не только взаимодействуют с динамически меняющейся материальнопроизводственной средой, но и подвержены воздействию специфических случайных факторов (поломка оборудования, организационные процессы, связанные с работой персонала). Использование дополнительных ресурсов не всегда возможно, их привлечение может оказаться спорным с экономической точки зрения. Без учета этих факторов реализация управления, обоснованного с точки зрения материально-производственного потока, может оказаться неосуществимой. Эта проблема в ее частном проявлении трансформируется в задачу распределения имеющихся производственных ресурсов между производственными потоками (более частным случаем является задача составления сменно-суточного задания). Решение, принятое в подразделении, оценивается как минимум по двум критериям: по влиянию па производственный поток в целом, а следовательно, по влиянию на экономические показатели работы предприятия и по локальным «мягко» сформулированным критериям самого подразделения. Сформулируем следующие требования к формально-математическому описанию объекта: • дискретные свойства объекта предполагают использование дискретного математического описания; • необходимо учитывать в модели требования макроуправления производственным потоком и локальные представления производственного подразделения; • объект неизбежно включает составляющие, формализованное описание которых затруднено; • модель принятия решения в производственном подразделении обменивается и взаимодействует с моделью материальнопроизводственной среды в целом как в информационном плане, так и посредством влияния на материальный объект управления;

• необходимо учесть случайные воздействия на производственный процесс в целом и на ресурсы в частности; • модель должна быть составлена таким образом, чтобы задача оптимизации оказалась как можно менее трудоемкой (особенно, если подразделений много), т. е. достаточно реальная возможность «комбинаторного взрыва» должна быть ликвидирована. Введем следующие формальные обозначения для объекта, схематически представленного на рис. 5.5: • кортеж Do укрупненных планово-производственных единиц – деталеопераций, выполняемых в подразделении; • Ω0 – кортеж включенных в модель наименований ресурсов (персонал, станки, инструмент), например, если моделируется работа персонала и эксплуатация оборудования, то Ω0 содержит только два элемента; • кортеж М0 – наименования станков, причем М0 Î Ω0;

(5.4)

•R0 – кортеж персонала в подразделении: R0 Î Ω0.

(5.5)

Данная информация является относительно постоянной для подразделения, т.е. ее изменение не привязано к процессам оперативного управления. Кроме того, в зависимости от состояния материальнопроизводственной среды в целом и состояния ресурсов в подразделении можно определить: - R – кортеж исполнителей, готовых в настоящее время к работе (присутствующих в подразделении): R

Ì R0;

(5.6)

- М – кортеж единиц оборудования, свободных и исправных, готовых в данный момент к работе. Такая информация характеризует состояние ресурсов внутри подразделения локального уровня. Состояние незавершенного производства характеризуется количеством предметов труда – заготовок, находящихся на соответствующих деталеоперациях. С этой точки зрения можно определить список деталеопераций D, незавершенное производство которых имеет достаточный уровень для реализации производственного процесса, очевидно, что

D Ì D0;

(5.7)

причем в D не входят деталеопераций, для выполнения которых нет или мало заготовок. В конкретный момент времени состояние каждой деталеопераций, выполняемой в подразделении, можно оценить с точки зрения макроуровня – интересов предприятия в целом. Деталеоперации Оборудование 1

Станки типа А1 1001

Иванов

1002 2

Петров

3

Станки типа А2 2001

4

2002

Лисицын

5

Рис. 5.5. Структурное представление исходных данных: «может выполнять»; «может применяться»

Пусть Qi = < Q1i,…,Qni > – кортеж управляющих воздействий, сформированный для i-го однономенклатурного технологического маршрута. Кортеж управляющих воздействий для всех технологических

маршрутов, управление которыми включено в модель, будет иметь обобщенный вид ^

Q = Q1 È Q2 È ...Qm ,

(5.8)

где т – количество моделируемых технологических маршрутов. Применив преобразование, переводящее Q из маршрутнотехнологической упорядоченности в упорядоченность структурнопроизводственную (по подразделениям), получим È æ^ö Q =Y çç Q ÷÷ , è ø

(5.9)

где Ψ – преобразование, осуществляющее изменения упорядоченности È

элементов кортежа; Q – результат его применения. È

Выделим из Q подмножество, определив его следующим образом:

æ æ ^ öö æÈö ç ÷ Q º X k Q = X k çY ç Q ÷ ÷ , ç ç ÷÷ ç ÷ è ø è è øø

(5.10)

где X k – отображение, выделяющее элементы, относящиеся к к-му структурному подразделению; Q – множество элементов исходного управляющего кортежа, использующееся при принятии решений. Сформируем динамическую характеристику значимости деталеоперации с точки зрения макроуровня (предприятия) и назовем эту характеристику приоритетом. Приоритеты допустимо рассчитывать по формуле

li = 1 -

Qi , Q imax

(5.11)

где i – деталеоперации; Qi – элемент сформированного на макроуровне управляющего кортежа Q; Qimax – нормативная информация о максимально допустимой интенсивности потока. Очевидно что значение приоритета тем больше, чем выше интенсивность производственного потока, необходимого с точки зрения экономических интересов предприятия в целом. Так, близкий к нулю

приоритет будет означать, что соответствующий предмет труда или не значится в заказах, или в избытке имеется на складе. Близкий к единице приоритет означает острую потребность в данном предмете, обусловленную либо необходимостью компенсации ранее возникших случайных отклонений, либо просто значительным заказом. Кортеж приоритетов предметов в подразделении в общем случае зависит от времени (во времени меняется управление потоками) и имеет вид

l (t ) = < l1 (t )...l n (t ) > .

(5.12)

Для задания показателя приоритетности можно использовать способ, отличный от формализованного выше, в зависимости от особенностей конкретного производственного процесса, например путем включения в программно-информационную систему, формирующую решения специального модуля. Однако показатель приоритетности не характеризует напрямую стоимость выполнения деталеоперации. Если такую информацию желательно использовать, то следует ввести соответствующий кортеж c=.

(5.13)

Построим формализованное описание ограничений, накладываемых на принятие решения состоянием ресурсных компонент производственного подразделения. Введем предикат Person(r,d),

(5.14)

где r принимает значения из ПрО, описанной кортежем R0 (персонал); d принимает значение из ПрО, описанной кортежем D0 (деталеоперации); Person принимает значение «истина», если сотрудник r может выполнять деталеоперацию d. При распределении оборудования между деталеоперациями следует учитывать, что единица оборудования может быть закреплена за сотрудником подразделения. Введем предикат Mach(m,r),

(5.15)

где т принимает значение из кортежа М0 (оборудование); r принимает значение из множества R0 (исполняющий персонал); Mach принимает значение «истина», если единица оборудования т закреплена за сотрудником r.

Так как в общем случае может отсутствовать оборудования за исполнителями, введем предикат

закрепление

Action(m,d), (5.16) где т – оборудование; d – деталеоперация; Action принимает значение «истина», если на оборудовании m можно выполнять деталеоперацию d. Управляющее решение считается принятым, если будет получен кортеж выполняемых деталеопераций с указанием исполнителей и единиц оборудования, который имеет вид U = << d1,r1,m1 >,...,< di,ri,mi >>,

(5.17)

где di – деталеоперация; ri – исполнитель деталеоперации; mi – единица оборудования, с использованием которой деталеоперация будет выполняться. В кортеже могут находиться элементы и такие, что di = dj, если возможно одновременное выполнение одной деталеоперации на разных единицах оборудования. Однако ri ≠ rj ;

mi ≠ mj ,

(5.18)

поскольку один и тот же сотрудник не может одновременно выполнять разные деталеоперации, как и разные деталеоперации не выполняются одновременно на одной единице оборудования. В кортеже – решении могут присутствовать элементы . Это означает, что для данной деталеоперации d не определено оборудование и исполнитель (в данном случае символ «–» обозначает неопределенность). Таким образом, ситуация, связанная с наличием исправности оборудования, а также присутствия персонала, может быть описана с помощью наборов логических утверждений вида setPerson(< r1,r2,r3, ...>); setMach(< m1, m2,... >); Action (m1,d1); Action (m2,d2); Person (r1,d1), где setPerson, setMach – предикаты, задающие R и М; d1, d2 – конкретные деталеоперации; r1 , r2 – персонал; m1, m2 – конкретные единицы оборудования. На рис. 5.6 показана взаимосвязь компонент интегрированной модели.

Рис. 5.6. Взаимодействие элементов интегрированной модели в контексте принятия решения

Рассмотрим взаимодействие вышеописанных формализмов подразделения при моделировании динамики производственного процесса и принятии решений. В результате моделирования работы других структур предприятия и учета внешних для него экономических воздействий (спроса, поставок) формируется макроуправление, которое отображается в кортеж, соответствующий структурному упорядочению деталеопераций. Результат преобразуется к виду Q, на основе которого с использованием справочной информации Qmax формируется кортеж приоритетов λ. Из информации структурного подразделения и данных о приоритетах создается кортеж деталеопераций, обеспеченных незавершенным производством D. Он включает характеристики каждой из деталеопераций (например, приоритет, стоимость) и имеет вид D=<,> , где d – деталеоперация; hi2 ,hi2, ... – ее характеристики.

(5.19)

Очевидно, что список деталеопераций является постоянным, а характеристики корректируются по мере изменения производственноэкономической ситуации. Вышеописанные данные являются входными для модели принятия решений, которая создает рекомендуемое локальное управление распределением ресурсов U. Рассмотрим подробнее получение U в процессе моделирования работы подразделения. Ключевым моментом в данном случае является задание способа распределения ресурсов, который при наличии критерия может рассматриваться как оптимизационная задача. Идеальным вариантом решения (с точки зрения предприятия) оказалось бы такое значение U, которое после реализации обеспечило бы требуемые системой оперативного управления значения интенсивностей материальных потоков. Однако такое управление не всегда реализуемо в силу ресурсных ограничений, описанных формулами (5.14) – (5.16). Любое принятое решение можно оценить по критерию макроуровня. При соблюдении ограничений, накладываемых наличными ресурсами, более предпочтительным является то решение, которое обеспечивает лучшую оценку по макрокритерию. Формализмы многомерного макрокритерия задаются в виде характеристик h для каждой деталеоперации, частными случаями которых являются кортежи приоритетов X или стоимостной кортеж с. С точки зрения алгоритмических приемов оптимизации все способы формирования этих оценок инвариантны (но не инвариантны с тонки зрения экономических последствий). В рамках предложенного подхода интерес представляет проблематика и методология дискретной оптимизации решения. В работе [1] описан многокритериальный оптимизационный алгоритм, примененный для решения задачи, структурно близкой к вышеописанным формализмам. В работе [2] представлена выполненная нами модификация алгоритма, ориентированная на задачу распределения. Первоначально формируется упорядоченная по макрокритерию и критериям подразделения область ограниченного перебора в виде, показанном на рис. 5.7. Убывание предпочтительности вариантов выполнения Убывание приоритетов деталеопераций

… … … … Рис. 5.7. Множество допустимых решений

Следует упомянуть, что, исходя из принятого логического и теоретико-множественного представления, эту область можно задать набором логических утверждений вида setPerson(R) setMach(M) " r,m,v,d(person(r,d)& action(m,d)& (5.20) mach(m,v)&v ≠ r& (mÎM)&(rÎR)=> variant() В данном случае R – определенный кортеж персонала; М – определенный кортеж состояния оборудования; r, т, v, d - переменные; variant – предикат, принимающий значение «истина», если тройка принадлежит к области ограниченного перебора. После того как область сформирована, производится поиск оптимального решения U методом back tracing, причем просмотр вариантов выполнения деталеопераций происходит «слева сверху». Результат является оптимальным по вектору критериев

æ fiö ç ÷ ç ... ÷ ç ÷ ç f j÷, ç ... ÷ ç ÷ çf ÷ è nø

(5.21)

где i – индекс деталеопераций из упорядоченного по приоритетам списка; fi – критерий локального подразделения, отражающий предпочтительность вариантов выполнения деталеоперации. Формализмы, позволяющие сравнивать тройки вида по локальному критерию, различаются в зависимости от способа формирования этого критерия и могут быть оформлены как логические утверждения или как таблично заданное отношение упорядочения. Макроприоритет деталеопераций рассчитывается на основе критерия макроуправления и представляет собою функцию F(D), где D=<,>. Описанный метод достаточно эффективен в том смысле, что алгоритм оптимизации работает быстро, однако не разрешает двух проблем:

1) критерий f «мягкий» по своей природе, задается отношением упорядочения на множестве {,< d1,r12,m12,>,…,< d1,r1i,m1i,>}, однако реально такое задание предпочтений сводится к длительному диалогу лица принимающего решения с системой, реализующей модель; 2) если лицо, принимающее решение, не в состоянии задать отношение упорядочения, то формируется лишь допустимое, но не оптимальное решение, критериальная оценка которого весьма сомнительна. Рассмотрим возможность, необходимость и методологию применения нейромоделирования при формировании решения U. Необходимость отойти от «классической» оптимизационной задачи возникает в том случае, когда локальный критерий плохо формализуем, а эта ситуация возникает не редко и возникновение ее обусловлено влиянием персональных, неповторяющихся, нечетко определяемых или определяемых лишь вербально факторов. Нередко возникает ситуация, когда человек интуитивно правильно принимает решение и в состоянии указать, какое решение хуже, а какое лучше, однако это не позволяет выявить ни локальные критерии, ни алгоритмы принятия решений в формально-математическое виде. Табличное задание отношения упорядочения не только трудоемко, но и может в дальнейшем оказаться бесполезным. Причина «устаревания» заключается в высокой динамичности внешней по отношению к предприятию и подразделению экономической среды и, как следствие, в изменении системы предпочтений. Таким образом, возникает ниша для создания обучающейся модели, которая не требовала бы от лица, принимающего решения, принудительного участия в утомительном интерактивном переборе вариантов. Структурных подразделений, как правило, много. В технологическом, организационном и экономическом отношении они серьезно отличаются друг от друга. Создание сложной «индивидуальной» интеллектуальной модели для каждого структурного подразделения способно обернуться такими затратами, которые превысят эффект от достигнутой оптимизации управления. В такой ситуации создание компактной, единой по методологии, легко программируемой и настраиваемой нейросетевой модели является весьма актуальным. Итак, сеть локального управления обязана: • быть нетребовательной к вычислительному ресурсу; • не усугублять, а значительно облегчать проблему размерности;

• допускать легкую модификацию для разных структур и разных оперативных ситуаций. В целом можно утверждать, что, решая задачу распределения ресурсов, такая сеть имитирует логику обучившего ее человека, хотя не содержит ни логических, ни алгоритмических описаний принятия решений, а представляет собою лишь матрицу собственных коэффициентов и стандартную для сети процедуру отображения «вход-выход». Пусть максимально возможная размерность кортежа деталеопераций составляет п элементов, кортеж персонала R имеет к элементов, а кортеж оборудования М содержит l элементов. Эти три кортежа описывают исходные данные задачи, следовательно, непосредственно влияют на ее реализуемость в практических условиях. Определим входной сигнал управляющей нейросети таким образом, чтобы не допустить обострения «проблемы размерности». Количество всевозможных вариантов троек можно оценить по формуле

0< z £ n×k ×l,

(5.22)

т.е. если мощность каждого кортежа равна 10, возникает 1000 потенциально возможных ответов, хотя реально из них будут исключены технологически и организационно нереализуемые. Представим входной сигнал нейросети в двоичной форме и в следующем виде: X =< r1,...rk, d1,...dn, m1,...ml >. (5.23) Элементы X принимают значения из множества {0,1} следующим образом: ri =

1, если i-й сотрудник свободен; 0 в противном случае.

1, если i-я единица оборудования свободна; mi = 0 в противном случае.

di =

1, если i-ю деталеоперацию требуется выполнить 0 в противном случае.

Выходной сигнал нейросети X = < X1, X2,...> представляет собой решение задачи, причем размерность сигнала должна обеспечивать представление n × k × l возможных решений. Рассчитаем количество двоичных разрядов, необходимое для кодирования результата как é ln(n × k × l) ù ê ln2 ú ë û

(5.24)

т. е. для размерностей кортежей R, D, М порядка десяти получим десять разрядов, необходимых для кодирования тысячи возможных решений. Общая (внешняя) структура управляющей нейросети показана на рис. 5.8.

Рис. 5.8. Общая структура управляющей нейросети

Результатом работы сети является вектор выходных сигналов последнего слоя Y, который представляет собою бинарный код ответа. Система декодирования результата зависит от метода кодирования выходного кортежа в обучающей выборке. Простым и эффективным является следующий способ кодирования: • каждому исполнителю присваивается уникальный номер от 1 до к; • каждой деталеоперации присваивается уникальный номер от 1 до п; • каждой единице оборудования присваивается уникальный номер от 1 до l; • для каждой выходной тройки номеров из обучающей выборки вычисляется вспомогательная переменная z по формуле z=m+10d+100r;

(5.25)

• z переводится в двоичную систему счисления; • выходной вектор Y = формируется следующим образом: Y=zi-1,

(5.26)

где zi - двоичный разряд числа z, начиная с нулевого порядка (i= 0). Декодирование (переход от бинарного Y к номерам исполнителя, деталеоперации и единицы оборудования) осуществляется следующим образом: – вычисляется вспомогательное число z:

z = å Y j 2 j -1 ,

(5.27)

j

– десятичные разряды числа z с нулевого по (l – 1)-й интерпретируются как номер единицы оборудования; – десятичные разряды числа z с l-го по (l + n – 1) интерпретируются как номер деталеоперации; – десятичные разряды числа z с (l+1)-го и далее интерпретируются как личный номер исполнителя. Обучение сети производится методом back propagation, обучающая выборка формируется из удачных решений человека-специалиста, а также на основе любых дополнительных соображений организационноэкономического и технико-технологического характера, относящихся к вербальной модели локального подразделения. Таким образом, задача распределения ресурсов в подразделении предприятия может быть решена при помощи «обученной» нейросети вышеописанной структуры. Полученное решение не будет строго оптимальным, однако оно будет достаточно качественным: настолько насколько это позволяет точность работы нейросети. Преимущества такого подхода, по сравнению с классической дискретной оптимизацией, проявляются в ситуации, когда требования, предъявляемые к решениям, имеют произвольный (например, вербальный) характер. Поскольку алгоритм функционирования сети ни в коей мере не является алгоритмом перебора вариантов решений, проблема комбинаторного взрыва не возникает.

Раздел 6

ОСНОВЫ АВТОМАТИКИ И АВТОМАТИЗАЦИИ ПРОИЗВОДСТВА

6. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ ОБ АВТОМАТИЗАЦИИ 6.1. Основные понятия об объектах и системах автоматического управления Для упорядоченного и качественного выполнения рабочих операций на производстве необходимы операции управления, с помощью которых обеспечиваются необходимый порядок следования рабочих операций, требуемые параметры процесса, например, температура, давление, влажность и т.д. Совокупность управляющих операций представляет собой процесс управления. Замена ручною труда человека в операциях управления на управление с помощью технических средств называется автоматизацией. Технические средства, с помощью которых выполняются операции управления, называются средствами автоматизации или автоматическими устройствами. Аппарат, оборудование, в которых протекает управляемый технологический процесс, называется объектом управления. Совокупность объекта управления и средств автоматического управления называется автоматической системой управления (АСУ). Технологические процессы находятся под воздействием внутренних и внешних возмущений, нарушающих равновесный режим. Поэтому к технологическому процессу извне или изнутри прикладываются управляющие воздействия так, чтобы скомпенсировать указанные возмущения. Системы, вырабатывающие на основе информации о состоянии управляемого процесса определенный алгоритм (закон) управления, нейтрализующий действие возмущающих воздействий и приводящий управляемую величину к заданному значению, называются автоматическими системами регулировании (АСР). В этом случае термин «управление» заменяется на термин «регулирование»: объект регулирования, автоматическая система регулирования, автоматическое регулирование, регулируемая величина, автоматический регулятор и т.д. Технологический параметр, который необходимо поддерживать в заданных пределах в соответствии с технологическими требованиями, называется регулируемым параметром или регулируемой величиной.

Значение регулируемой величины, которое необходимо поддерживать в данный момент, называется заданным значением, а измеренное в данный момент - текущим. Объектом регулирования (ОР) называется аппарат, оборудование или технологический процесс, в котором происходит изменение регулируемой величины в результате управляющих воздействий. Управляющее воздействие на объект регулирования осуществляется путем регулирования подачи материалов или энергии. В общем случае задачи системы управления значительно шире: в системе регулирования заданное значение регулируемой величины или закон ее изменения заранее известны и АСР должна всегда приводить управляемую величину к этому значению, а в системе управления должен вырабатываться такой закон изменения управляемой величины, который наилучшим образом обеспечит функционирование системы, выполнение технологического процесса в соответствии с изменившимися параметрами ОР и внутренними и внешними возмущениями. В теплоэнергетических аппаратах (установках), например, управляющее воздействие на ОР осуществляется изменением положения заслонок, задвижек, шиберов, различных клапанов, перекрывающих трубопроводы, а сами управляющие воздействия формируются регулятором, который вместо человека-оператора обеспечивает изменение регулируемой величины по заданному закону. Рассмотрим обобщенную функциональную схему АСР (рис. 6.1), в которой с определенной степенью детализации представлены основные устройства для выполнения определенных функций (датчики, усилители, управляющие устройства, исполнительные механизмы, регулирующие органы и т.д.).

Рис. 6.1. Обобщенная функциональная схема АСР

Непременным элементом АСР является объект регулирования ОР, на который воздействуют как возмущающие воздействия f (t ) (например,

изменение нагрузки объекта), так и управляющее воздействие y (t ) , а на выходе он характеризуется регулируемой величиной хвых(t). Датчик Д дает информацию о величине какого-либо параметра технологического процесса, протекающего в ОР. Нормирующий преобразователь НП служит для преобразования естественного сигнала с выхода датчика в унифицированный сигнал ГСП. Задающее устройство ЗУ вводит в систему сигнал задания XЗД. Элемент сравнения ЭС сравнивает сигнал XЗД с величиной ХИ от измерительного устройства (Д, НП). При наличии рассогласования e = x ЗД - x И создается регулирующее воздействие на объект, стремящееся свести к минимуму рассогласование. Система будет находиться в состоянии покоя (равновесия) при отсутствии рассогласования. Регулятор Р (совокупность усилителя У, устройства управления УУ и корректирующего устройства КУ) предназначен для коммутации и алгебраического суммирования сигналов измерительного и задающего устройств, выработки требуемого закона регулирования и управляющих (регулирующих) воздействий у(t) на исполнительный механизм ИМ, перемещающий РО, который изменяет количество поступающего вещества или энергии в объект в целях приведения регулируемой величины ОР к заданному значению. Для работы АСР необходимы источники питания ИП элементов и устройств автоматики (для пневматических систем это компрессорная станция, а для электрических систем это сетевые или автономные источники питания в виде трансформаторов, преобразователей тока, аккумуляторов, мотор-генераторов). Стабилизаторы СТ служат для снижения помех питания средств автоматики. В зависимости от характера информации об объекте управления (ОУ) автоматические системы управления подразделяются на разомкнутые и замкнутые (рис. 6.2).

а

б

Рис. 6.2. Структуры разомкнутой (а) и замкнутой (б) систем управления: XВХ (t) и XВЫХ (t) - соответственно входная и выходная величины; у(t) - управляющее воздействие, вырабатываемое управляющим устройством (У У); f(t) - возмущающее воздействие; De = e (t ) - сигнал рассогласования (или ошибка)

Разомкнутые системы работают по жесткой программе независимо от состояния объекта в процессе управления и изменяющихся внешних условий фактического протекания процесса. Внешние возмущения f(t) приво-

дят к соответствующим неуправляемым отклонениям выполняемого процесса в объекте. Эти возмущения - непредсказуемые факторы, вызывающие нарушение нормального протекания процесса. Замкнутые системы управления работают на основе информации о протекаемом процессе и при любых нарушениях его, связанных например, с изменившимися внешними условиями, вырабатывают соответствующее управляющее воздействие, ликвидирующее отклонение выполняемого процесса. В этих системах существует обратная связь - информация о состоянии управляемого процесса (объекта) передается с выхода системы на вход управляющего устройства (регулятора).

6.2. Общие сведения о Государственной системе промышленных приборов и средств автоматизации (ГСП) В науке и технике известно более 2000 различных физических величин. Для измерения их требуются различные по принципу действия и конструкциям автоматические средства измерения, регулирования и управления. Для уменьшения количества средств измерения и автоматизации путем унификации их принципов измерения и конструкций создана Государственная система промышленных приборов и средств автоматизации (ГСП). Все средства ГСП по функциональному назначению подразделены на четыре* группы: 1.Средства получения нормированной информации о состоянии объекта автоматизации. Сюда относятся датчики и нормирующие преобразователи. 2.Устройства для приема, преобразования и передачи информации по каналам связи. В эту группу входят устройства телемеханики, телеизмерения, телесигнализации, телеуправления, шифраторы, дешифраторы и устройства согласования, используемые для приема, преобразования и передачи сигналов на большие расстояния. 3.Средства преобразования, обработки, хранения информации и выработки команд управления включают в себя анализаторы сигналов, функциональные и операционные преобразователи, устройства памяти, регуляторы, задатчики, а также управляющие вычислительные машины. 4.Устройства использования командной информации для воздействия на объект включают в себя исполнительные устройства, состоящие из усилителей мощности входных сигналов и исполнительных механизмов, воздействующих на регулирующие органы, которые регулируют поступающий в объект регулирования поток энергии или материалов.

Все средства ГСП подразделены на три ветви: электрическую, пневматическую и гидравлическую. также комбинированные *Иногда классификацию представляютВыпускаются по шести функциональным группам. средства автоматизации: электропневматические, электрогидравлические.

6.3. Автоматический контроль и измерения технологических параметров 6.3.1. Основы метрологии и техники измерений Базовой основой современных АСУ ТП являются системы автоматического контроля (САК), позволяющие быстро получить достоверную измерительную информацию о режимных параметрах технологических процессов, а также о параметрах качества сырья, промежуточных и готовых продуктов. Научной основой САК являются метрология и физические принципы измерения параметров технологических процессов. Технической базой САК являются средства измерений (СИ) и преобразований соответствующих параметров. Метрология-это наука об измерениях, методах и средствах обеспечения их единства и способах достижения требуемой точности. Под единством измерений понимают такое состояние измерений, при котором их результаты выражены в узаконенных единицах, а погрешности измерений известны с заданной вероятностью. В 1893 г. была образована Главная палата мер и весов, ныне НПО «Российский НИИ метрологии им. Д.И. Менделеева» (г. Санкт-Петербург). Дата создания Главной палаты мер и весов считается началом развития отечественной метрологии. Организационной основой метрологического обеспечения является метрологическая служба России, состоящая из сети учреждений и организаций, возглавляемых Государственным комитетом стандартизации, метрологии и сертификации Российской Федерации. Соблюдение метрологических требований при технологических измерениях обеспечивает не только качество выпускаемой продукции, но и производительность, экономичность, надежность и долговечность оборудования. Важнейшими характеристиками измерения являются: 1. Принцип измерения. 2. Метод измерения 3. Погрешность измерения. Принцип измерения - совокупность физических явлений, на которых основано измерение (например, на термоэлектрическом эффекте основан принцип измерения температуры с помощью термоэлектрического термометра).

Метод измерения - совокупность приемов использования принципов и средств измерений. Виды измерений: прямые, косвенные и совокупные. Если результат измерения У находят непосредственно из опытных данных X, то измерения называются прямыми, здесь У = X. Примером прямого измерения является измерение длины линейкой, массы - с помощью весов, температуры - стеклянным термометром и т.д. Косвенные измерения - здесь искомое значение измеряемой величины находят на основе известной зависимости её от величин, значения которых находят прямыми измерениями y=f(X1 ,X2,,…,Xn ), где X1 , X2,…, Xn - величины, определяемые прямыми измерениями (например, определение температуры по прямому измерению термоЭДС, плотности однородного тела по его массе и объему и т.д.). На XI Генеральной конференции по мерам и весам в 1960 г. была принята международная система единиц СИ, которая в 1961 г. регламентирована в СССР для предпочтительного применения, а с 1980 г. является обязательной. Методы измерений: 1.Метод непосредственной оценки - искомое значение физической величины определяют непосредственно по отсчетному устройству измерительного прибора (ИП) прямого действия (без обратной связи). Например, измерение давления пружинным манометром, силы тока амперметром, массы - с помощью циферблатных весов. 2.Метод сравнения с мерой - метод измерения, в котором измеряемую величину сравнивают с величиной, воспроизводимой мерой (измерение длины метром, напряжения постоянного тока сравнивают с ЭДС нормального элемента и т.д.). Метод подразделяется на нулевой метод (компенсационный), дифференциальный (разностный), совпадения, противопоставления, замещения. В современных СИ преимущественно применяются компенсационный и дифференциальный методы. Классификация средств измерений СИ подразделяются на меры, калибры, измерительные преобразователи (ИПр), измерительные приборы (ИП), измерительные установки, измерительные системы. Мера - СИ для воспроизведения физической величины заданного размера (например, линейка, нормальный элемент, конденсатор). Измерительный прибор - СИ для выработки сигнала измерительной информации в форме, доступной для непосредственного восприятия наблюдателя.

Измерительный преобразователь - СИ для выработки сигнала измерительной информации в форме, удобной для передачи сигнала, обработки, хранения, но не воспринимаемой наблюдателем. Измерительная установка - совокупность функционально объединенных СИ (мер, ИП, ИПр) и вспомогательных устройств, предназначенных для выработки сигнала измерительной информации в форме, удобной для непосредственного восприятия наблюдателем, и расположенных в одном месте. Измерительная система - совокупность СИ и вспомогательных устройств, соединенных каналами связи, предназначенная для выработки сигнала в форме, удобной для автоматической обработки, передачи и использования в автоматических системах управления. Основным признаком классификации ИП является измеряемая физическая величина, по которому приборы классифицируются на ИП для измерения: температуры; давления; уровня жидкости и сыпучих материалов; количества и расхода жидкостей, газов, сыпучих материалов; плотности и вязкости вещества, анализа состава жидкостей и газов; влажности; геометрических размеров и других технологических параметров. По другим признакам приборы классифицируются следующим образом: по применению - технические (производственные), лабораторные, контрольные, образцовые и эталонные; по виду показаний - показывающие, записывающие, интегрирующие, печатающие и регистрирующие; по способу применения - стационарные и переносные; по способу формирования сигналов - аналоговые, в которых сигнал измерительной информации является непрерывной функцией измеряемой величины и цифровые, в которых вырабатываются дискретные сигналы измерительной информации в цифровой форме; по точности измерения ИП различаются классом точности (например, классы точности 0,5; 1,0; 1,5 и т.д.); по защищенности ИП бывают обычного исполнения, пылеводонепроницаемые и тропического исполнения. Основные метрологические характеристики ИП Качество ИП характеризуется рядом показателей, важнейшими из которых являются: погрешность, стабильность, чувствительность, цена деления шкалы, предел измерения и динамическая погрешность. Погрешность характеризует отклонение измеряемой величины от ее истинного (действительного) значения. Истинное значение измеряемой величины установить практически невозможно, поэтому на практике пользуются понятием «действительное значение измеряемой величины, измеренное образцовым прибором».

Нормирующими значениями являются: ХN - верхний предел ХB измеряемой величины или диапазон измерения (ХB -ХН), где ХН - нижний предел измерения. Класс точности прибора устанавливается в зависимости от значений пределов допустимых основной и дополнительной погрешностей. Чаще класс точности выражается через основную допустимую погрешность D в виде относительной погрешности

Д 100 . (6.1) ХN Основная погрешность дается для нормальных условий: температура окружающей среды 293 К (+20°С); атмосферное давление 101,325 Па (760 мм рт.ст.); влажность воздуха до 80%. Погрешность измерений, которая является результатом несовершенства средств и методов измерений (включая субъективные особенности наблюдателя), в зависимости от характера проявления подразделяют на систематическую Θ и случайную Ψ: К ЛТ =

Δ=Θ+ Ψ.

(6.2)

Систематическая погрешность измерений - составляющая погрешности измерений, которая остается постоянной или закономерно изменяется при повторных измерениях одной и той же величины. Случайная погрешность измерений представляет собой составляющую погрешности измерений, изменяющуюся случайным образом при повторных измерениях одной и той же величины в зависимости от множества случайных факторов, действия которых по-разному складываются при повторении измерений одного и того же объекта (экземпляра готовой продукции или параметра технологического процесса). Примерами случайной погрешности могут быть: погрешность вследствие вариаций показаний измерительного прибора, погрешность округления при отсчитывании показаний измерительного прибора и т.п. Статической оценкой случайной погрешности является среднеквадратичное отклонение. Чувствительность ИП - свойство, заключающееся в способности реагировать на изменение измеряемой величины. Количественно ее можно выразить как отношение числа делений шкалы п к диапазону измеряемой величины XN: n S= . (6.3) XN

Цена деления характеризуется разностью значений величин, соответствующих двум соседним отметкам шкалы. Количественно она представляется величиной, обратной чувствительности. Минимальное значение измеряемой величины, на которую реагирует ИП, называется порогом чувствительности. 6.3.2. Типовые измерительные схемы и приборы технологического контроля 6.3.2.1. Общие сведения о датчиках физических величин Ведущая тенденция современного развития всех областей техники, заключающаяся в автоматизации процессов управления, контроля, диагностирования, информатизации и т.д., вызвала резкий рост потребности в различного рода датчиках, являющихся первичными источниками информации об объектах, технологических процессах или внешней среде. По классификации изделий ГСП датчики делятся на группы по входным физико-химическим воздействиям и физическим информационным сигналам на выходе. Новейшие достижения в области микроэлектроники, материаловедения, высокотемпературной сверхпроводимости, интегральной и волоконной оптики и других отраслях современной науки и техники приводят к появлению как принципиально новых, так и к радикальному совершенствованию традиционных типов датчиков. Наиболее распространенные датчики или первичные измерительные преобразователи (ПИП) работают по следующей схеме преобразования: неэлектрическая величина→перемещение→электрическая величина. Резисторные датчики. Один из наиболее широко применяемых принципов преобразования физических величин основан на измерении сопротивления чувствительных элементов, которые могут быть реализованы в виде потенциометров, тензо- и терморезисторов. Потенциометрические датчики. В них измеряемая физическая величина обычно с помощью механической передачи преобразуется в перемещение движка потенциометра, что приводит к соответствующему изменению сопротивления. Чаще всего для изготовления проволоки используются различные сплавы платины, обладающие повышенной коррозионной и износостойкостью, применяются также манганин, константан. Пример схем проволочных потенциометрических датчиков представлен на рис.6.3. Датчик представляет собой каркас, на котором намотан в один слой провод с большим удельным сопротивлением, и подвижный контакт с линейным (рис.6.3, а) или угловым (рис.6.3, б) перемещением движка, скользящего по виткам провода. Этот преобразователь представ-

ляет собой делитель напряжения. Выходной ток IН и напряжение UН зависят от положения движка потенциометра. Эта зависимость в общем нелинейна, что определяется прежде всего отношением полного сопротивления R потенциометра к сопротивлению нагрузки RН. Величина относительного изменения сопротивления потенциометра k=r/R, при равномерной его намотке совпадает с относительным перемещением l/L движка потенциометра (где L - общая длина сопротивления R), которое равно нулю при r=R. Однако при относительно большом сопротивлении нагрузки RН >>R статическая характеристика принимает линейный вид.

б

а

Рис. 6.3. Потенциометрические датчики (преобразователи)

Если RН в 10-20 раз больше R, то нелинейность статической характеристики не превышает 1-2 % предела измерений.

UН » U ×

r . R

(6.4)

Тензорезисторные датчики основаны на явлении тензоэффекта, заключающегося в изменении сопротивления проводников и полупроводников при их механической деформации. Современные тензорезисторы изготавливаются на основе технологии печатания схем (фольговые тензорезисторы) или методами осаждения тонких пленок, позволяющими значи-

тельно улучшить их характеристики. Для датчиков, работающих в диапазоне температур до 180 °С, в качестве тензочувствительного материала используется константан. Для более высоких температур (200-1000 °С) применяются специальные сплавы. Как правило, для всех тензорезисторов необходимы надежные способы их закрепления на поверхности испытываемых (деформируемых) объектов, а также требуется нанесение герметизирующих покрытий, предотвращающих нежелательные загрязнения. Особого искусства и техники требует также выполнение электрических соединений. В последние годы изготавливают датчики с полупроводниковыми тензорезисторами, выращенными непосредственно на упругом элементе, выполненном из кремния и сапфира. Упругие элементы из кристаллических материалов обладают упругими свойствами, близкими к идеальным, и существенно меньшим гистерезисом и нелинейностью по сравнению с металлическими. На одном упругом элементе выращивается обычно не один тензорезистор, а структура в виде полумоста или даже целый мост; кроме того, термокомпенсирующие элементы. В частности, КНС-структура (кремний на сапфире) положена в основу большой серии унифицированных датчиков давления, образующих приборный комплекс «Сапфир-22». Дальнейшим развитием унифицированных датчиков абсолютного давления и перепада давлений является создание комплекса датчиков «Сапфир-300», которые базируются на чувствительном элементе с МДМ-структурой (металл-диэлектрик-металл). Терморезисторы, в отличие от потенциометрических и тензорезисторных датчиков, применяются только для измерения температуры. Подробнее рассмотрим в разделе «Измерение температуры». Емкостные датчики. Эти датчики имеют разнообразные области применения, однако наибольшее распространение они получили для измерения малых перемещений и физических величин, легко преобразуемых в перемещение, например, давлений. В простейшем случае они состоят из двух металлических пластин (электродов), разделенных малым воздушным зазором. Любое изменение зазора либо перекрывающихся площадей (при движении одной пластины вдоль другой) будет вызывать изменение емкости, которое затем можно измерить. Достоинствами емкостных датчиков в отличие от резисторных и индуктивных являются отсутствие шумов и самонагрева, стабильность метрологических характеристик во времени, потенциально высокая термоустойчивость. Емкостные датчики конструктивно исключительно просты, в них легко может быть внедрена микроэлектронная технология. Перемещение подвижного электрода и соответствующее изменение емкости может быть измерено с помощью самоуравновешивающегося

моста либо автогенератора, в котором изменение емкости изменяет частоту генерации, что особенно привлекательно для цифровых систем. Изменения емкости конденсатора можно достичь изменением входной величины: расстояния d между двумя (и более) электродами (рис. 6.4, а); площади S электродов, образующих собственно емкость (рис. 6.4, б); диэлектрической проницаемости e cреды между электродами (рис. 6.4, в). Емкость С плоскопараллельного конденсатора равна С = e × S / d . Емкость цилиндрического конденсатора вычисляется так: С = 2 pe l / ln (D2 / D1), где l - длина цилиндра; D1 и D2 - внутренний диаметр внешнего и наружный диаметр внутреннего цилиндров соответственно. Диэлькометрические преобразователи, построенные на изменении расстояния между электродами, используют для измерения малых перемещений (до 1 мм). Для измерения больших перемещений применяют преобразователи с изменяющейся площадью электродов (рис. 6.4, б).

а

б

в

Рис. 6.4. Диэлькометрические (емкостные) измерительные преобразователи

Преобразователи с изменяющейся диэлектрической проницаемостью межэлектродного пространства (рис. 6.4, в) часто используют в схемах автоматического контроля и регулирования таких параметров технологического процесса, как уровень, толщина продукта, влажность, концентрация жидкостей, давление. Достоинства диэлькометрических преобразователей: высокая чувствительность, простота конструкций, малые габариты и инерционность. Электромагнитные датчики Электромагнитные датчики получили широкое применение в различных областях науки и техники благодаря достаточно высокой точности, широким функциональным возможностям, надежности, особенно при работе в тяжелых эксплуатационных условиях. Датчики, преобразующие входную величину - перемещение в изменение индуктивности, называются индуктивными, а в изменение взаимоиндуктивности - трансформаторными или (реже) взаимоиндуктивными.

Индуктивный датчик (рис. 6.5) основан на изменении индуктивности обмотки 1 электромагнитного дросселя в зависимости от воздушного зазора d В между сердечником 2 и якорем 3. Здесь входным воздействием является перемещения якоря 3, а выходной величиной - индуктивность L или выходное сопротивление X= w × L (где w - частота переменного тока). Рис. 6.5. Схема индуктивного Достоинствами индуктивных датчика датчиков являются простота и надежность. Недостатки: сравнительно малая чувствительность, зависимость индуктивного сопротивления от частоты тока, сравнительно небольшой диапазон линейного участка статической характеристики. Дифференциально-трансформаторный преобразователь (ДТП) получил особо широкое применение. Электрическая схема ДТП с подвижным сердечником, переметающимся относительно обмоток, представлена на рис. 6.5. Первичная обмотка 1 состоит из двух секций, намотанных согласно, а вторичная обмотка состоит из секций 3 и 4 , включенных встречно. Подвижный сердечник 2 соединен с чувствительным элементом, на который воздействует измеряемая физическая величина (перемещение, давление и т.п.). Магнитный поток от первичной обмотки индуктирует в секциях вторичной обмотки ЭДС е1 и е2, значение которых зависит от величины тока в обмотке 1, его частоты и взаимных индуктивностей М1 и М2 между секциями 3 и 4 и первичной обмотки. При среднем (нейтральном) положении сердечника взаимные индуктивности М1 и М2 равны. При отклонении сердечника вверх или вниз от нейтрального положения значение одной из взаимных индуктивностей увеличивается, а другой - уменьшается. ЭДС на выходе ДТП определяется по формуле

Рис. 6.6. Дифференциальнотрансформаторный преобразователь

E = - jщIM ,

(6.5)

где w = 2pf (f - частота питания); I - ток питания первичной обмотки преобразователя; M=M1-M2 - взаимная индуктивность между выходной и первичной обмотками, зависящая от положения сердечника в катушке преобразователя. 6.3.2.2. Измерительные схемы для датчиков Малые напряжения постоянного тока, являющиеся выходной величиной генераторных ПИП (например, термоэлектрических термометров), можно измерять либо методом непосредственного измерения с помощью милливольтметра, либо путем использования компенсационной (потенциометрической) или дифференциальной схем. Компенсационная схема, являющаяся одной из основных в средствах автоматического контроля различных параметров технологических процессов, основана на компенсации (уравновешивании) измеряемой величины известным падением напряжения на калиброванном сопротивлении. Дифференциальная измерительная схема служит для измерения разности между измеряемой величиной и некоторой другой, заранее известной величиной. Мостовая измерительная схема - наиболее распространенная при автоматическом контроле технологических параметров. Параметрические ПИП включают в мостовые схемы, в которых текущее значение параметра ПИП сравнивается с заданным его значением (в уравновешенных мостах) или в измерительной диагонали моста образуется напряжение, функционально связанное с измерением контролируемого параметра технологического процесса (неуравновешенные мосты). При уравновешенной мостовой схеме применяется нулевой метод измерения тока в диагонали: изменение параметра ПИП (сопротивление, индуктивность, емкость) компенсируется изменением сопротивления другого плеча до момента полного исчезновения тока в измерительной диагонали. 6.3.2.3. Методы измерения важнейших параметров технологических процессов 6.3.2.3.1. Измерение температуры Температура - один из распространенных параметров, который приходится контролировать в различных средах: - газовой (помещение цеха или склада, сушильная, запарная и термофиксационная камеры и т.д.);

- паровой (запарная, сушильная камеры и т.п.); - жидкостной (вода, водные растворы красителей, органические растворители, растворы, применяемые при обработке сырья, и т.д.); -твердой (поверхность плиты пресса, поверхность сушильных барабанов и каландров, поверхность деталей аппаратов для вулканизации и т.д.). В современной практике используются две температурные шкалы: 1. Международная практическая температурная шкала МПТШ с температурным интервалом 0-100 °C. Температура по ней обозначается t=...°С. 2. Абсолютная термодинамическая шкала, основанная на втором законе термодинамики и предложенная Кельвином. В этой шкале за нуль принята точка, лежащая ниже точки таяния льда на 273,16 °C. Температура по этой шкале обозначается Т=...К. Соотношение значений температуры по этим шкалам описывается так: Т =t+ 273, 16. В международной системе единиц СИ в 1961 г. основной единицей принят кельвин. В России используют обе шкалы. В зависимости от принципа действия приборы для измерения температуры делятся на следующие группы: 1. Термометры расширения, основанные на изменении объема термометрической жидкости или линейных размеров твердых тел при изменении температуры; применяются для диапазона температур -200...+750 °С. 2. Манометрические термометры, основанные на изменении давления газа, жидкости или пара в замкнутой среде при изменении температуры; применяются для диапазона измеряемых температур от -200 до 1000°С. 3. Термоэлектрические термометры (термопары), основанные на термоэффекте; используются для измерения температур в диапазоне от -200 до +2500 °С. 4. Электрические термометры сопротивления, основанные на изменении сопротивления проводников и полупроводников от температуры; используются для измерения температуры в диапазоне от -260 до +1100 °С. 5. Пирометры излучения, основанные на изменении интенсивности теплового излучения нагретых тел от их температуры; используются для измерения температур в диапазоне от + 100 до +8000 °С. Термометры расширения. К ним относятся жидкостные стеклянные, биметаллические и дилатометрические термометры. Жидкостные стеклянные термометры применяются для измерения температуры жидких и газообразных сред в диапазоне от -35 до

+100 ... 150 °С (иногда до 500 °С). В качестве термометрической жидкости используют ртуть, спирт, толуол и т.п. Они могут быть выполнены в виде термосигнализаторов, имеющих подвижный рабочий контакт, сигнализирующий достижение какой-либо определенной предельной температуры. Постоянная времени их примерно 2с, точность - десятые доли °С. Недостатки - малая прочность и нерегулируемость. Биметаллические и дилатометрические термометры. Принцип действия их основан на использовании свойства твердого тела изменять свои линейные размеры при изменении температуры. Для ограниченного интервала температур зависимость длины lt твердого тела от температуры t может быть выражена линейным уравнением вида lt = l0 ( 1 + бt ) , где l0 длина тела при температуре 0 °С; a - средний коэффициент линейного расширения тела в интервале температур от 0 до t °С. Относительно широкое применение в промышленности биметаллических и дилатометрических термометров обусловлено хорошей надежностью, простотой конструкции и низкой стоимостью. Манометрические термометры основаны на зависимости давления рабочей среды (газа, жидкости, парожидкостной смеси) от температуры. Термочувствительная система состоит из баллона, соединительного капилляра, манометрической пружины, заполненной рабочей средой. В зависимости от температуры изменяется давление в термобаллоне и в системе происходит деформация пружины, свободный конец которой перемещается и поворачивает показывающую стрелку, которая также может иметь воздействие на контактное устройство для сигнализации предельных значений температуры. Манометр применяется для измерения температуры до 400 °С. Длина дистанционного капилляра достигает 10-25 м и более. Недостатки этих термометров: значительная инерционность (несколько секунд), относительно низкая точность (класс точности 1,6; 2,5), сложность ремонта при разгерметизации. Термометры сопротивления. Термометры сопротивления основаны на зависимости сопротивления проводников (металлов) и полупроводников от температуры R = f(t). При этом сопротивление металлических термометров (медных, платиновых) увеличивается с ростом контролируемой температуры в объекте и выражается зависимостью:

Rt = R0 ( 1 + бt ) ,

(6.6)

где R0 - сопротивление термометра при t = 0 °С; α - температурный коэффициент электрического сопротивления, 1/град. Серийно выпускаются платиновые термометры типа ТСП с несколькими стандартными градуировками 1П, 5П, 10П, 50П, 100П, 500П для тем-

ператур -250...+110 °С и медные типа ТСМ с градуировками 10М, 50М, 100М для температур -200...+200 °С. Полупроводниковые термометры (термисторы) в отличие от металлических обладают большим (на два порядка) температурным коэффициентом электрического сопротивления, при этом отрицательным. Это определяет большую точность измерения (0,005...0,01 °С), что является их преимуществом. Температурная характеристика их выражаются экспоненциальной зависимостью Rr=A × e ( B / T ) , где А и В - параметры, характеризующие материал и конструкцию термометра; Т = t + 273 °C. Недостатки термисторов: 1. Нелинейность температурной характеристики, вынуждающая выполнять измерительные приборы с нелинейной шкалой с разной точностью измерений на разных диапазонах шкалы. 2. Существенный разброс характеристик, что обуславливает их невзаимозаменяемость и ограничивает их распространение. Диапазон измеряемых температур их уже, чем у металлических и составляет 0 - 180 °С. Термоэлектрические термометры основаны на термоэлектрическом эффекте, заключающемся в том, что в замкнутой цепи, состоящей из двух разнородных проводников, возникает электрический ток, если хотя бы два места соединения (спая) проводников имеют разную температуру. Цепь из двух разнородных проводников (рис. 6.7) называется термопарой. Спай с температурой t называется горячим. Спай с температурой t0 называется холодным или свободным. Проводники А и В называются термоэлектродами. Термоэлектрический эффект обусловлен наличием в металле свободных электронов, число которых в единице объема различно для разных металлов. Если в спае с температурой t электроны из металла А диффундируют в металл В в большем количестве, чем в обратном направлении, то проводник А заряжается положительно, а В - отрицательно. Эффект нагревания или охлаждения спая двух разных металлов, будучи пропорционален току, служит доказательством того, что спай является местом возникновения термоЭДС. Это явление в 1854 г. Кельвин подтвердил экспериментально. Для замкнутой цепи из двух проводников А и В, спаи которых нагреты до температур t и t0 (см. рис. 6.7), обходя цепь против часовой стрелки, для суммарной термоЭДС получим следующее выражение:

Рис. 6.7. Цепь для пояснения основных теоретических зависимостей

E AB (t , t 0 ) = e AB (t ) + e AB (t 0 ) .

(6.7)

Если t=t0 ,то E AB (t 0 , t 0 ) = e AB (t 0 ) + e BA (t 0 ) = 0, т.е.

e BA (t 0 ) = -e AB (t 0 ) .

(6.8)

Тогда уравнение (6.5) примет вид

E AB (t , t 0 ) = e AB (t ) - e AB (t 0 ).

(6.9)

Приняв температуру холодного спая t0=соnst, получим

E AB (t , t 0 ) = f (t ) . (6.10) Для конкретной термопары измерение температуры сводится к определению термоЭДС термопары. На практике цепь (см. рис. 6.7) разрывается в месте холодного спая для подключения измерительного прибора (проводник С на рис. 6.8). При этом в процессе измерения температура свободных концов термопары t0' может оказаться отличной от t0 при градуировке термопары (обычно t0=0 ° С, реже 20 °С), тогда необходимо вводить поправку:

EAB (t, t0 ) = EAB (t, t0/ ) ± E AB (t0/ , t0 ).

(6.11)

/ Знак (+) соответствует, если t 0 > t 0 , а (-) - если

t0/ < t0 . Для автоматического учета поправки на изменение температуры свободных концов термопары в измерительных схемах приборов применяют специальные термостатирующие мосты. На предприятиях наиболее распространены следующие стандартные термопары: 1. Хромель-копелевая (ХК). 2. Хромель-алюмелевая (ХА). 3. Платино-платинородиевая (МП) и др. Широкое распространение термопар ХК и ХА обусловлено их хорошей чувствительностью (0,069 и 0,04 мВ/град) и линейностыо. Диапазон измеряемых температур для них доходит соответственно до 600 и 1100 °С. Термопара НП применяется для измерения более высоких температур (до 1300-1600 °С).

Рис. 6.8. Схематическое оформление термопары

Автоматические электронные потенциометры и мосты Приёмниками информации от датчиков в электрических системах передачи с унифицированным токовым сигналом могут быть промежуточные преобразователи, регуляторы, измерительные (вторичные) приборы и средства вычислительной техники. Большинство датчиков оснащены преобразователями типа «сила-ток» или «перемещение-ток». К другим распространенным электрическим системам передачи измерительной информации относятся: система с унифицированным частотным сигналом, дифференциально-трансформаторная система, сельсинная система. Наиболее распространенными вторичными приборами для работы в комплекте с термопарами и термометрами сопротивления являются: - приборы аналоговые автоматические следящего уравновешивания КСП, З-П, КСП З-ПИ, КСП 3-С, КСУ 3 (потенциометры для работы с термоэлектрическими преобразователями ТХК, ТХА, ТПП, ТПР, телескопом радиационного преобразователя), КСМ З-П, КСМ З-ПИ (мосты для работы с термопреобразователями сопротивления ТСП, ТСМ) с регистрацией показаний на дисковой диаграмме; КСП-4 (потенциометр, выполняемый в одноканальном и 3-, 6- и 12- канальном исполнениях) с регистрацией показаний на ленточной диаграмме; - приборы регистрирующие ДИСК-250, ДИСК-250И, более новые, чем КСП и КСМ; предназначены для измерения и регистрации активного сопротивления, силы (только ДИСК-250) и напряжения постоянного тока, а также неэлектрических величин, преобразованных в указанные сигналы. Приборы имеют различные выходные устройства для сигнализации и регулирования, предназначены для работы в закрытых помещениях без агрессивных сред при температуре окружающею воздуха от 5 до 50 °С и верхнем значении относительной влажности 80% при 35 °С. Потенциометр КСП-4 построен по блочному принципу. Блоки и отдельные элементы потенциометра располагаются внутри корпуса на выдвижном кронштейне. Принципиальная (упрощенная) схема потенциометра типа КСП для измерения ЭДС компенсационным методом приведена на рис. 6.9. Если измеряемая термоЭДС E (t , t 0 ) не равна компенсирующему напряжению Uк , то сигнал рассогласования АП (в виде напряжения постоянного тока) подается на входное устройство ВУ, представляющее собой преобразовательный элемент, в котором сигнал рассогласования DU преобразуется в электрический сигнал переменного тока и подается на вход усилителя У, выходной сигнал которого приводит в действие реверсивный двигатель РД. Выходной вал РД вращается в ту или иную сторону в зависимости от полярности сигнала DU и через систему кинематической передачи перемещает движок Rр измерительной схемы ИС, изменяя компенси-

рующее напряжение Uк до тех пор, пока оно не станет равным измеряемой термоЭДС E (t , t 0 ) . Одновременно с этим приводится в движение каретка с указателем, перемещающимся относительно шкалы, и пером самописца, регистрирующим характер изменения контролируемого параметра во времени на диаграммной ленте, приводимой в движение синхронным двигателем СД. В измерительную схему ИС включено медное сопротивление, которое располагается вблизи свободных концов термопары и служит для / автоматического учета поправки E AB (t 0 , t 0 ) на изменение температуры свободных концов термопары во время измерения. Таким образом, благодаря наличию электронного усилителя и реверсивного двигателя, приводящего систему в равновесие, осуществляется непрерывное автоматическое измерение величины технологического параметра, а также возможность его изменения по определенному закону посредством встроенных в потенциометр регулирующих устройств (на рис. 6.9 не показано). Принципиальная (упрощенная) схема автоматического электронного моста типа КСМ (компенсатор самопишущий мостовой) аналогична схеме потенциометра, но не содержит преобразовательное входное устройство ВУ. КСМ предназначен для непрерывного измерения, записи и регулирования температуры при работе в комплекте с термометром сопротивления Rt.

Рис. 6.9. Упрощенная схема автоматического потенциометра

Термометр сопротивления Rt подключатся к мосту по трехпроводной схеме: это уменьшает ошибку показаний от изменения температуры окружающей среды. Существуют многоканальные автоматические регистрирующие приборы, предназначенные для одновременного измерения различных физических, химических и других неэлектрических величин, преобразованных в электрическое напряжение или ток, и одновременной непрерывной записи кривых на общей диаграммной ленте, наглядно показывающей изменения технологических параметров исследуемого процесса. Непрерывные

измерение и запись позволяют с высокой точностью производить сравнение и высокоэффективный анализ записанных на диаграммной ленте кривых. 6.3.2.3.2. Измерение давления Приборы для измерения давления устанавливаются обычно на магистралях, по которым подается технологический пар или сжатый воздух, в гидравлических линиях высокого давления для приводов прессов, для технологических измерений или управления отпарочными аппаратами и другим оборудованием. Различают следующие виды давления: абсолютное Рабс, барометрическое атмосферного воздуха Рб, избыточное Ри и вакуум метрическое РВ. Абсолютное давление Рабс - полное давление, под воздействием которого находится жидкость, газ или пар: Рабс= Рб + Ри . Разность между абсолютным давлением и давлением окружающей атмосферы называется избыточным давлением: Ри = Рабс - Рб . Приборы для измерения давления называются манометрами. Если абсолютное давление меньше барометрического, то разность между ними называется вакуумметрическим давлением (разрежением или вакуумом) Рв =Рб - Рабс. Приборы для измерения вакуума называются вакуумметрами. В международной системе единиц (СИ) в качестве основной единицы давления принят паскаль (Па) [ньютон на квадратный метр] (Н/м2). В качестве чувствительных элементов используются: манометрические трубки, мембраны, сильфоны (гофрированные стаканы). При этом измеряемое давление преобразуется в перемещение, которое тем или иным способом преобразуется в электрический сигнал, либо в перемещение показывающей стрелки.

а

б

Рис. 6.10. Мембранный (а) и сильфонный (б) чувствительные элементы

Мембранные и сильфонные чувствительные элементы. Мембранные ЧЭ применяются для измерения небольших давлений (рис. 6.10). В качестве материала мембран используется резина или кожа. При давлении выше 10 000 Па применяют металлические (латунные, бронзовые и др.) мембраны или мембранные гофрированные коробки (а). При этом улучшаются линейность характеристики и ход выходного штока с приводом стрелки. При более высоких давлениях используют сильфоны (чаще с пружиной) (б), которые обеспечивают больший ход h измерительного штока при хорошей линейности характеристики. Широкое распространение получили сигнализирующие манометры типа ЭКМ, манометры с индуктивным съемом сигнала давления типа МЭД и самопишущие сигнализирующие манометры типа МСС и др. Как уже отмечалось выше (в подразд. 2.2.1), все более распространенными и перспективными средствами измерения различных видов давления являются приборы на основе тензорезисторных чувствительных элементов. 6.3.2.3.3. Измерение количества и расхода вещества

Приборы для измерения количества и расхода вещества широко применяются на производстве как для контроля за ходом технологического процесса, так и для учета расходования сырья, топлива, выработки продукции и т.д. Необходимо различать понятия «количество» и «расход». Под понятием количество вещества имеют в виду количество вещества, прошедшее через данное сечение трубопровода за некоторый промежуток времени (смену, сутки, месяц и т.д.), а под расходом - количество вещества, прошедшее через данное сечение трубопровода в единицу времени. Количество вещества измеряется счетчиками количества, при этом количество вещества определяют как разность показаний счетчика в начале и в конце промежутка времени. Приборы, предназначенные для измерения расхода вещества, называют расходомерами. Количество вещества выражают в единицах массы (кг) либо объема (м3). Единицами измерения расхода вещества служат массовые единицы (кг/с, кг/ч) и 3 3 объемные (м /с, м /ч). Рис. 6.11. Схема расходомера по перепаду давления: 1 - труба; 2 - сужающее Соотношение единиц объемного (Qоб) и массового устройство (диафрагма); 3 - дифференциальный (Qм) расходов определяется по манометр (ДМ); 4 - вторичный прибор (ВП); P1 и P2 - давление контролируемой среды до и формуле Qм=Qоб × r , где r - после плотность вещества, кг/м3. сужающего устройства Наиболее распространенными являются расходомеры: по переменному перепаду давления, постоянного перепада давления и электромагнитные. Расходомеры по переменному перепаду давления (рис. 6.11) основаны на зависимости перепада давления в сужающем устройстве (диафрогме или сопле) Dp = ( P1 - P2 ) (диафрагме или сопле) от скорости потока жидкости Vn. Скорость потока жидкости при постоянном сечении трубопровода определяет расход жидкости Qn. Таким образом, статическая характеристика этого расходомера представляет собой зависимость Qn = f ( Дp ) . Для измерения разности давления Dp применяются приборы, называемые дифференциальными манометрами (диф-манометрами). Рассмотрим ме-мбранный дифманометр (рис. 6.12).

Измеряемая разность давлений Δp=(Р1 – Р2) вызывает соответствующий прогиб мембраны, вызывающий перемещение штока 3, связанного с сердечником преобразователя 4. В зависимости от положения сердечника на выходе преобразователя образуется сигнал Uвых, передаваемый на вторичный прибор дифференциально-трансформаторной системы типа КСД. Эта система представляет собой дифференциальное соединение вторичных обмоток дифференциально-трансформаторных преобразователей. Разбаланс во вторичных обмотках усиливается и поступает на реверсивный двигатель, который перемещает сердечник преобразователя приемника до тех пор, пока Рис.6.12. Схематическое уст- напряжение во вторичных обмотках датчика ройство мембранного дифма- и приемника не уравновесятся. Реверсивный нометра: 1 - мембранная ко- двигатель одновременно (как и в случае робка; 2 - жесткий центр; 3 - автоматического моста и потенциометра) шток; 4 - дифференциально- перемещает показывающее и трансформаторный (в частности) регистрирующее устройство прибора КСД. преобразователь для дистанционВ последние годы все большее ной передачи показаний датраспространение получают дифманометры чика и приемника во втоиз серии тензорезисторных приборов типа ричном приборе «Сапфир-22», «Сапфир -300». Расходомеры постоянного перепада давления. Самым распространенным представителем этого типа расходомеров является ротаметр, имеющий практически равномерную шкалу и позволяющий измерять небольшие расходы, т.к. потери давления в них незначительны и не зависят от величины расхода. Проходящий через ротаметр снизу вверх поток жидкости или газа Q поднимает поплавок до тех пор, пока расширяющаяся кольцевая щель между телом поплавка и стенками конусной трубы не достигнет величины, при которой действующие на поплавок силы уравновесятся и он установится на той или иной высоте в зависимости от измеряемого расхода. Расходомеры электромагнитные. Принцип действия их основан на зависимости ЭДС, индуктируемой в потоке электропроводной жидкости под действием внешнего магнитного поля, от скорости потока жидкости

E = -B × d ×V ,

(6.12)

где В - магнитная индукция в зазоре между полюсами магнита; d - внутренний диаметр трубопровода; V - средняя скорость потока. Выражая скорость через объемный расход Q, получим

E =

4B Q . рd

(6.13)

6.3.2.3.4. Измерение уровня Измерение уровня жидкости часто осуществляется с помощью поплавковых ЧЭ, которые преобразуют изменение уровня в перемещение и далее в электрический сигнал (рис. 6.13) с помощью потенциометрических или различных индуктивных и др. датчиков перемещения. Значительные усилия, развиваемые поплавковым ЧЭ, позволяют часто объединить их с помощью рычага или другой механической передачи с РО и Рис. 6.13. Схема измерения таким образом получить регулятор уровня жидкости с помощью прямого действия. Промышленными поплавкового ЧЭ: 1 - емкость с регуляторами уровня прямого действия жидкостью; 2 - поплавковый являются сантехнический регулятор чувствительный элемент; 3 - РО уровня типа РУ-16, поплавковый на линии притока жидкости (Qn); h - уровень жидкости; Qp - расход уровнемер УДУ-5. жидкости из емкости; 4 Промышленными регуляторами дифференциально-трансформаторуровня прямого действия являются ный преобразователь для дистанционной передачи сантехнический регулятор уровня типа РУ-16, поплавковый уровнемер УДУ-5. сигнала об уровне жидкости Класс точности поплавковых уровнемеров 1 ¸ 1,5. Большое распространение получили также кондуктометрические уровнемеры. Эти уровнемеры работают по принципу замыкания стержневых электродов электропроводящей жидкостью и применяются при работе с растворами кислот, щелочей, красителей и т.д. Промышленностью выпускаются датчики типов ЭСУ-1, ЭСУ-2, ЭСУ-3 и др. В качестве датчиков здесь могут применяться металлические или угольные (для агрессивных жидкостей) электроды, которые обычно включаются в одно из плеч моста переменного тока, питание которого осуществляется от стабилизированного по частоте высокочастотного генератора. 6.3.2.3.5. Измерение влажности газов и твердых материалов

Психрометрический метод измерения влажности газов основан на кондуктометрическом методе измерения сопротивления металлических термометров сопротивления. Кондуктометрический метод измерения влажности материалов основан на том, что используемые в легкой промышленности материалы представляют собой капиллярно-пористые тела, в которых находится влага. В сухом виде эти материалы являются диэлектриками с удельным объемным сопротивлением r g = 1010 Ом·см и выше. В результате увлажнения капиллярно-пористые тела становятся проводниками, при этом их электрическое сопротивление резко снижается до rn = 10 -2 Ом·см, Rх от влажности материалов выражается зависимостью Rх = А / w n, где А - постоянная для исследуемого материала; w - влажность материала, % массы сухого материала; п - показатель степени, зависящий от природы и структуры исследуемого материала. 6.3.2.3.6. Измерение кислотности (щелочности) растворов

Рис.6.14. Схема автоматического pH-метра: 1 - емкость с раствором; 2 - электродная пара, состоящая из измерительного стеклянного электрода (ЭС) и вспомогательного каломельного электрода (ЭК); Пр преобразователь ЭДС электродной пары; ВП вторичный прибор (автоматический потенциометр)

Составы воды и растворов, используемых в производственных условиях для влажно-тепловой обработки материалов и изделий, часто оценивают таким универсальным показателем, как водородный показатель рН. Установлено, что в интервале температур 20-25 °С ионное произведение воды КН2О = 1·10-14, что позволяет для любого водного раствора найти концентрацию ионов [ОН] при известной концентрации [Н] и наоборот как 10 -14 10 -14 [OH] = ; [H ] = . (6.14) [H] [OH]

В любом нейтральном растворе и в воде концентрации ионов [Н] и [ОН] одинаковы и равны 10 -7 г·ион/л. Если [Н]<[ОН]<10-7 г·ион/л, то раствор имеет щелочную реакцию. Для оценки концентрации водородных ионов введен показатель, представляющий значение отрицательного деся-

тичного логарифма концентрации водородных ионов, который называется водородным показателем рН. Для нейтральной среды рН=-lq[10-7]=7.

(6.15)

Распространены два основных метода измерения рН: кондуктометрический и гальванометрический. Кондуктометрический метод основанна определении электропроводности раствора сильных кислот и щелочей со значительным содержанием солей. Гальванометрический (потенциометрический) метод является основным для технических измерений и использует два электрода, один из которых измерительный, потенциал которого меняется в зависимости от концентрации ионов в контролируемом растворе, а другой - сравнительный, потенциал которого от свойств контролируемого раствора не зависит. Упрощенная схема автоматического рН-метра (например, преобразователя рН-261) со вторичным прибором (автоматическим электронным потенциометром) показана на рис. 6.14. Измеряемая ЭДС электродной пары практически полностью уравновешивается выходным напряжением усилителя преобразователя Пр. Такой метод уравновешивания называется методом статической компенсации, т.к. при его использовании отпадает необходимость в применении подвижных элементов (реверсивного двигателя и реохорда). Сила тока в цепи выходного усилителя преобразователя (Пр), пропорциональная величине рН контролируемого раствора, показывается на приборе преобразователя, шкала которого градуирована в единицах рН. Показания преобразователя могут передаваться на вторичный прибор, который не только показывает, регистрирует значение рН, но и может регулировать.

6.4. Автоматические системы регулирования технологических параметров Цель автоматического регулирования, являющегося частным случаем автоматического управления, состоит в обеспечении заданного алгоритма функционирования - закона изменения некоторого технологического параметра (регулируемой величины). В частном случае регулируемую величину требуется поддерживать на заданном постоянном уровне. Например, для обеспечения нормальной работы оборудования для влажнотепловой обработки строительных изделий необходимо поддерживать соответствующую температуру для поддержания соответствующей вязкости (подвижности) смесей, например бетонных, и регулировать влажность заполнителей смеси, изделий и конструкций из бетона.

Задача автоматического регулирования здесь сводится к поддерживанию равенства х2(t) = x1 (t), (6.16) где x1(t) - требующееся изменение регулируемой величины во времени (заданное изменение); х2(t) - действительное изменение регулируемой величины во времени. В промышленных системах на объект регулирования непрерывно действуют разного рода возмущающие воздействия, благодаря которым регулируемая величина отклоняется от заданного закона изменения. Такими возмущающими воздействиями для влажно-тепловой обработки бетонных изделий могут быть загрузка увлажненного изделия, изменение давления пара, изменение температуры воздуха в цехе и др. Для ликвидации нежелательных последствий возмущающих воздействий необходимо с помощью ИМ и РО вручную или автоматически осуществлять регулирующее воздействие на объект для обеспечения равенства (6.14). 6.4.1. Классификация автоматических систем регулирования технологических параметров Классификация АСР производится по довольно большому количеству признаков, рассмотрим ее в классическом варианте. 1. По принципу регулирования различают два типа регуляторов: · АСР по отклонению характеризуется тем, что регулирующее воздействие на объект регулирования формируется в зависимости от отклонения текущего значения регулируемой величины от заданного. На этом принципе были разработаны первые промышленные регуляторы уровня воды И.И. Ползуновым (1765г.) и скорости Дж. Уаттом (1784г.). · АСР по возмущению (принцип компенсации). Характеризуется тем, что, измеряя возмущающее воздействие на объект регулирования и формируя соответствующее регулирующее воздействие на объект, можно обеспечить независимость работы системы от этих возмущающих воздействий. Такие АСР, инвариантные (независимые) от возмущающих воздействий (рис. 6.15), отличаются быстротой реакции и хорошими характеристиками по устойчивости и качеству регулирования. Однако сложность измерения всех возмущающих воздействий создает трудности реализации подобных систем, поэтому они не получили широкого распространения. Как видно из рис. 6.16, здесь измеряется отклонение регулируемой величины от заданного закона изменения - ошибка ∆ (t). Если ∆ (t) ≠ 0, автоматический регулятор создает регулирующее воздействие у(t) на объект регулирования, ликвидирующее или уменьшающее ошибку до допустимой величины. Системы, работающие по ошибке (отклонению), образуют

замкнутый контур и поэтому называются замкнутыми системами. Благодаря наличию связи между выходом объекта и входом автоматического регулятора образуется так называемая обратная связь. А так как на элементе сравнения при определении ошибки происходит вычитание х2(t) из х1(t), то обратная связь называется отрицательной. Поэтому АСР, работающие по ошибке, представляют собой системы с отрицательной обратной связью, которая служит для измерения результата действия системы.

Рис. 6.15. Функциональная схема АСР по возмущению: ОР - объект регулирования; БИ блок измерения; БУП блок управления; ИЭ - исполнительный элемент; f(t) возмущающее воздействие

Рис. 6.16. Функциональная схема АСР по отклонению: ОР - объект регулирования; БИ - блок измерения; БЗ - блок задания; ЭС - элемент сравнения; БУП - блок управления; ИЭ - исполнительный элемент; АР - автоматический регулятор

Принцип обратной связи широко используется в технике, не только в АСР, т.е. обратные связи присутствуют в измерительных и вычислительных устройствах, усилителях и т.д. Взаимодействие человека с различными техническими устройствами часто также происходит при наличии обратных связей, т.к. человек постоянно контролирует результат своего вмешательства в работу того или иного устройства, машины, агрегата и т.п. Таким образом, принцип обратной связи является одним из основных принципов управления и регулирования, а АСР, работающие по ошибке, наиболее распространены в различных отраслях промышленности. Однако АСР по отклонению имеют и определенный недостаток: чтобы ликвидировать отклонение регулируемой величины от заданного значения, необходимо наличие этого отклонения, тогда как в АСР по возмущению ликвидируется сама причина возникновения ошибки. Объединением обоих принципов регулирования в одной АСР создается комбинированная АСР, лишенная недостатков каждой из систем в отдельности. Наличие в ней разомкнутого контура обеспечивает независимость регулируемой величины от одного из наиболее значительного по своему влиянию возмущения. А наличие замкнутого контура (обратной связи) ликвидирует влияние всех других возмущающих воздействий и неточностей компенсации.

2. По характеру изменения заданного значения регулируемой величины хЗД(t) = x1 (t) АСР подразделяются на: - системы стабилизации, предназначенные для поддержания заданного значения регулируемой величины объекта, хЗД(t) = const; - системы программного регулирования, в которых регулируемая величина объекта изменяется по заданной программе, хЗД(t) = f(t); - следящие системы регулирования, в которых характер изменения выходной величины зависит от произвольного изменения какой-либо входной величины объекта, хЗД(t)≠ f(t) , т.е. х2(t) следит за изменением некоторой x1 (t). 3. АСР в зависимости от свойств системы в установившемся режиме разделяют на статические и астатические. Статические системы характеризуются наличием остаточного отклонения регулируемой величины в установившемся состоянии равновесия, а величина отклонения при этом зависит от величины возмущающего воздействия на объект. Астатические системы характеризуются отсутствием остаточных отклонений в установившемся состоянии равновесия.

а

б

Рис. 6.17. АСР уровня жидкости статическая (а) и астатическая (б)

Для статической АСР (рис. 6.17, а) характерно то, что в установившемся состоянии количество расходуемой жидкости QНАГР (нагрузка) всегда равно количеству поступающей через регулирующий орган жидкости QПИТ. Следовательно, при изменении QНАГР будет устанавливаться новое состояние равновесия со значением уровня h, которому будут соответствовать новое положение регулируемого органа (РО) и новое количество поступающей жидкости. Таким образом, новое значение регулируемой величины hУСТ в установившемся состоянии будет несколько отличаться от

hЗАД , т.к. новому положению РО соответствует новое положение чувствительного элемента (поплавка), соответствующее h. Для астатической АСР уровня (рис. 6.17, б) характерно то, что при отклонении уровня от состояния равновесия появляется разбаланс потенциометра П, сигнал с которого подается на двигатель М. Последний через редуктор Р перемещает РО (заслонку) 3, изменяя количество подливаемой жидкости Qпит. Уровень жидкости восстанавливается до исходного (заданного) значения, при котором восстанавливается баланс потенциометра и двигатель М останавливается. 4. По способу передачи сигналов между элементами автоматической системы АСР подразделяются на системы непрерывного и дискретного действия. Непрерывные АСР характеризуются тем, что входная и выходная величины ее являются непрерывными функциями времени. Дискретные (прерывистые) АСР характеризуются тем, что содержат хотя бы один элемент, в котором при непрерывном изменении входного сигнала выходной сигнал изменяется дискретно. 5. Автоматические системы бывают линейными и нелинейными. Линейные системы описываются линейными уравнениями. Нелинейные системы описываются нелинейными уравнениями и более сложны при анализе их. 6.4.2. Объекты регулирования и их свойства Обоснованный выбор и расчет регулятора в первую очередь определяются достоверностью математической модели объекта регулирования (ОР) (машина, аппарат, технологический процесс), к которому подключается автоматический регулятор, обеспечивающий поддержание или изменения по заданным условиям какого-либо параметра объекта. Технологический процесс, как правило, характеризуется несколькими регулируемыми величинами. Например, в тепловом объекте регулирования выходными величинами (наряду с температурой) могут быть уровень, давление, химический состав среды и др. Таким образом, промышленные установки представляют собой сложные объекты с несколькими регулируемыми величинами. Однако такие объекты можно расчленить (декомпозировать) на ряд простых объектов, характеризуемых одной регулируемой величиной. В простейшем виде объект регулирования можно представить в виде некоторого объема или емкости, в которые непрерывно поступают и из которого одновременно отбираются вещество или энергия. Установившийся режим в объекте, характеризуемый неизменным значением регулируемой величины, наступает при равенстве количества поступающего и расходуемого вещества или энергии. При изменении на-

грузки или появлении других возмущающих воздействий (например, изменение параметров объекта, изменение окружающей среды и др.), включая изменения по каналу регулирующего воздействия (например, напряжение питающего тока, температура и давление технологического пара и т.д.), возникают нарушения установившегося состояния. Восстановление равновесия достигается путем изменения регулирующего воздействия на объект. Самовыравнивание свойство объекта самостоятельно восстанавливать нарушенное состояние равновесия за счет изменения регулируемой величины. Объекты с самовыравниванием - статические объекты, а без самовыравнивания - астатические. Статические объекты характеризуются коэффициентом самовыравнивания или обратным ему коэффициентом передачи объекта, а астатические объекты - скоростью разгона. Емкостью объекта называется свойство объекта регулирования накапливать энергию или вещество. Объекты бывают одноемкостные и многоемкостные. Одноемкостные объекты характеризуются одной постоянной времени. Запаздывание (время запаздывания) характеризуется временем между моментом нанесения возмущающего воздействия (в частности, изменением входной величины) и началом изменения регулируемой (выходной) величины. При этом различают: переходное или емкостное запаздывание и транспортное или чистое запаздывание. Транспортное (чистое) запаздывание характеризуется временем передачи воздействия от момента нанесения его до места его реализации (вход в объект). Например, при передаче вещества по транспортеру или трубопроводу это есть время, в течение которого отсутствует отклонение регулируемой величины после нанесения воздействия на транспортер или трубопровод. Свойства объектов регулирования определяются из их математических моделей, которые получаются аналитическим или экспериментальным способами. Аналитический способ построения математической модели объекта осуществляется на основе физико-механических закономерностей, определяющих характер процессов в объекте, сопряжен с большими трудностями, а уравнения математической модели получаются достаточно сложными. Поэтому часто снимают экспериментальные динамические характеристики объекта (кривые разгона, импульсные характеристики, частотные характеристики) и по ним определяют параметры объекта регулирования, используемые в дальнейшем для выбора - закона регулирования и расчета оптимальных параметров настройки регулятора. При экспериментальном определении динамических характеристик обычно используются не абсолютные значения текущих величин, а их отклонения от

номинального, установившегося или начального значений. Поэтому в получающихся дифференциальных уравнениях, передаточных функциях используются приращения ∆х, ∆у, ∆ m и т.д. Но с целью упрощения написания уравнений знак ∆ опускается и уравнение записывается с применением обозначений самих величин х, у, m и т.д., подразумевая на самом деле под этими обозначениями их отклонения. 6.4.3. Автоматические регуляторы и законы регулирования Классификация линейных регуляторов По функциональному назначению и конструктивному исполнению регуляторы можно классифицировать следующим образом: 1. По виду регулируемой величины: регуляторы температуры, давления, уровня, влажности и т.д. 2. Регуляторы прямого и непрямого действия: в регуляторах прямого действия измерительное устройство без дополнительного источника энергии непосредственно воздействует на регулируемый орган, через который проходит в объект вещество или энергия; в регуляторах непрямого действия имеется блок усиления и преобразования, который питается от дополнительного источника энергии и усиливает мощность выходного сигнала до величины, способной управлять мощными реагирующими органами с большими потоками вещества или энергии. 3. В зависимости от рода вспомогательной энергии различают регуляторы электрические, пневматические, гидравлические и комбинированные (например, электропневматические и др.). В большинстве случаев предпочтение отдается электрическим регуляторам благодаря компактности, малой массе, небольшим габаритам, возможности управлять на больших расстояниях, широким возможностям усиления и преобразования сигналов. В тех случаях, когда требуются большие усилия и моменты для привода рабочих органов и необходимо соблюдать условия взрыво-пожаробезопасности, применяют гидравлические или пневматические регуляторы, обладающие высокой надежностью в работе и которые сравнительно просты в обслуживании. Однако потребность в больших сетях трубопроводов, необходимость иметь насосные и компрессорные станции значительно усложняет автоматическую систему при использовании таких регуляторов. Распространенными являются комбинированные регуляторы, в которых измерительная часть - электрическая, а исполнительный элемент гидравлический или пневматический.

4. По виду функциональной зависимости между регулирующим воздействием у(t) и отклонением регулируемой величины от заданного значения ∆(t) у(t)=f[∆(t)] (6.17) различают регуляторы, работающие по определенным типовым законам. Уравнения, определяющие закон регулирования, могут быть линейными и нелинейными. Часто на практике уравнения регуляторов упрощают, пренебрегая нелинейностями, когда это возможно. Для АСР, действующих по отклонению регулируемой величины от заданного значения, закон регулирования в общем виде записывается у(t)=F[∆ (t)].

Рис. 6.18. Характер изменения регулируемой величины Хвых в П-регуляторах (кривая 1) и в И-регуляторах (кривая 2)

(6.18)

Правая часть выражения (6.18) может содержать не только ошибку ∆, но и ее производные, и интегралы. Производные и интегралы вводятся в закон регулирования для улучшения свойств АСР повышение устойчивости, точности и качества процесса регулирования. Рассмотрим выражение (6.18) применительно к типовым законам регу-

лирования. Пропорциональный закон регулирования (П-регулятор) простейший регулятор, в котором регулирующее воздействие у(t) зависит только от ошибки ∆ (t): у(t)=КР·∆t или у = КР·∆,

(6.19)

где КР называется коэффициентом усиления регулятора. В промышленных регуляторах предусмотрена возможность изменения КР, поэтому он является параметром настройки регулятора. Изменяя КР, мы изменяем величину регулирующего воздействия, соответствующую одной и той же ошибке А (I). Достоинство регулятора - его простота. Недостатки - регулятор не может полностью ликвидировать ошибку.

Интегральный закон регулирования (И-регулягор). Статическую ошибку можно исключить, если использовать интегральный закон регулирования у = Ки ò ∆dt.

(6.20)

Коэффициент КИ = 1 / ТИ, где ТИ - параметр настройки регулятора, называемый постоянной времени интегрирования. Недостаток регулятора: динамические свойства хуже, чем у П-регулятора, т.е. процесс регулирования отстает от процесса появления и изменения отклонения, что приводит (рис. 6.18) к слабозатухающим колебаниям регулируемой величины около заданного хЗАД ее значения (удлиняется время регулирования). Пропорционально-интегральный закон регулирования (ПИрегулятор). Устранить недостаток и сохранить преимущества пропорционального и интегрального регуляторов позволяет регулятор, обеспечивающий следующий закон регулирования: ö æ 1 y = Kp × çç Д + ò Д × dt ÷÷. TИ ø è

(6.21) Как видно, ПИ-регулятор имеет два параметра настройки: К Р и ТИ. Параметр ТИ характеризует интенсивность ввода интеграла в закон регулирования. Пропорционально-дифференциальный закон регулирования (ПДрегулятор). Введение в закон регулирования производной отклонения регулируемой величины улучшает динамические свойства АСР:

dД ö æ y = Kp × ç Д + T Д ÷. dt ø è (6.22) Регулятор имеет два параметра настройки: КР и Тд. Коэффициент Тд называется временем дифференцирования, или временем предварения, т.к. наличие производной в законе регулирования обуславливает реакцию не только на саму ошибку А, но и на тенденцию ее изменения, как бы предвидя развитие событий. Пропорционально-интегрально-дифференциальный закон регулирования (ПИД-регулятор) описывается уравнением

æ 1 dД ö ÷÷ . y = Kpçç Д + Дdt+T Д ∫ T dt И ø è

(6.23)

Наличие трех составляющих в законе регулирования (6.23) позволяет добиваться высокого качества процесса регулирования как при установившемся режиме, так и при неустановившихся режимах работы АСР. Вышерассмотренные законы регулирования являются наиболее простыми, линейными и непрерывными. Для более сложных АСР, например комбинированных, применяются регуляторы, закон регулирования которых содержит в правой части слагаемые, зависящие от измеряемого возмущения f (t), его интегралов и производных. 6.4.4. Нелинейные законы регулирования Наиболее распространенными среди этих законов являются релейные законы, при этом наиболее часто применяется двухпозиционный релейный закон регулирования. В этом случае регулирующий орган может занимать два фиксированных положения (позиции), соответствующие двум фиксированным значениям регулирующего воздействия, вырабатываемого релейными двухпозиционными регуляторами (Ри-регуляторами). 6.4.5. Усилительно-преобразовательные устройства Усилитель является одним из основных элементов большинства систем автоматического контроля, регулирования и управления, так как мощность, развиваемая чувствительным элементом (датчиком) недостаточна (во многих случаях) для формирования управляющего воздействия. Эта мощность равна 10-4-10-5 Вт и не позволяет привести в действие последующие исполнительные элементы автоматической системы. Уже известный вам термоэлектрический термометр развивает на выходе сигнал всего лишь в несколько десятков мВ. В зависимости от необходимой мощности для управления приводами ИМ и используемых в них видов энергии различают следующие усилители: - электронные (ЭУ), когда требуется выходная мощность не более 100 -150 Вт; - магнитные усилители, отличающиеся простотой и надежностью, но имеющие определенные недостатки (сложность получения большого входного сопротивления, чувствительность к изменению температуры среды, большие габариты и масса, чем у ЭУ); - тиристорные усилительно-преобразовательные устройства, наиболее распространены, так как обеспечивают большую выходную мощность и обладают компактностью устройства; - пневматические усилители для пневматических ИМ;

- гидравлические усилители для гидравлических ИМ. Магнитные усилители. Принцип работы одноконтактного МУ (рис. 6.19, а) следующий. При отсутствии тока Iy в обмотке подмагничивания (управления) Wу полное сопротивление обмоток ~W1 и ~W2 велико и на них происходит большое падение напряжения. При увеличении тока подмагничивания Iу сопротивления обмоток переменного тока W1 и W2 уменьшаются и возрастает ток нагрузки Iн в цепи обмотки реверсивного двигателя (рис. 6.19, б). Таким образом, изменением тока подмагничивания Iу управляется величина переменного тока Iсм в обмотках, включенных между зажимами двигателя и источника питания ~U, т.е. можно регулировать напряжение на зажимах исполнительного двигателя и, следовательно, скорость его.

б

а

в Рис. 6.19. Принципиальная схема и кривые управления магнитного усилителя: 1 - исходная кривая; 2 - при введении обмотки смещения WCМ; ~W1 и ~W2 - обмотки переменного тока; Wу и WCМ - обмотки соответственно управления и смещения постоянного тока; Rн - сопротивление нагрузки (одна из обмоток реверсивного двигателя ИМ); М - сердечник магнитопровода

Для возможности управления током Iн в зависимости от фазы (полярности) тока Iy в цепи управления, вводится дополнительно обмотка смещения WCМ.

Для устранения тока I0 в цепи нагрузки при отсутствии управляющего сигнала Iу применяют двухтактные МУ, представляющие встречное включение двух однотактных МУ. При этом при подмагничивании одного МУ двигатель ИМ вращается в одном направлении, а при подмагничивании другого МУ - в противоположном направлении. Кривая управления двухтактного МУ представлена на рис. 6.19, в. Пневматический усилитель типа «сопло - заслонка» является одним из распространенных усилителей в системах с пневматическим исполнительным приводом (рис. 6.20). Сжатый воздух с давлением Р1 проходит через дроссель с постоянным проходным сечением 1. В результате перемещения заслонки 4 каким-либо чувствительным элементом относительно сопла 2 изменяется величина h, что приводит к изменению пневмосопротивления в переменном дросселе 3, а в междроссельной полости устанавливается давление Р2 (отличное от Р1), действующее на поршень 7 исполнительного механизма 5, шток 8 которого связан с регулирующим органом. Поршень 7 будет перемешаться до тех пор, пока не наступит пор, пока не наступит равновесие между силой, с которой сжатый воздух давит на поршень, и упругими силами пружины 6. При этом усилие, развиваемое вдоль штока поршня, значительно превышает усилие чувствительного элемента, необходимое для перемещения заслонки 4. Рис. 6.20. Пневматический усилитель типа “сопло-заслонка” Коэффициент усиления по мощности некоторых 5 7 пневматических усилителей достигает 10 -10 .

6.4.6. Реле Реле - это устройство автоматики, преобразующее заданное значение контролируемой величины в скачкообразное изменение состояния управляемой цепи (например, ее замыкание или размыкание). Реле широко используется в управлении поточно-транспортной системой (ПТС) различных технологических процессов, а также для про-

граммного управления отдельным оборудованием (стиральная машина, аппараты химчистки, холодильники и т.д.). Реле бывают электрическими, гидравлическими, пневматическими и комбинированными. Среди электрических реле большое распространение получили электромеханические реле, которые в свою очередь подразделяются на электромагнитные (постоянного и переменного тока); магнитоэлектрические; электродинамические; индуктивные; электротермические. В свою очередь реле постоянного тока подразделяют на нейтральные и поляризованные. Нейтральное реле одинаково реагирует на постоянный ток обоих направлений, протекающий по его обмотке. Действие поляризованного реле зависит от направления тока. Электромагнитное реле переменного тока Особенностью реле переменного тока (рис. 6.21) является возникновение пульсаций магнитного потока, вследствие чего происходит пульсация электромагнитной тяговой силы (рис. 6.22). Поэтому происходит вибрация якоря 3 и контактов 4, обуславливающая подгорание контактов и снижающая надежность реле в работе.

Рис. 6.21. Схема устройства электромагнитного реле: 1 - ферромагнитный сердечник; 2 - обмотка; 3 якорь; 4 - контакты; 5 короткозамкнутый виток

Рис. 6.22. Зависимость тягового усилия реле без короткозамкнутого витка (1) и с короткозамкнутым витком (2)

Для устранения вибрации обычно применяют короткозамкнутый виток 5, устанавливаемый на расщепленном полюсе ферромагнитного сердечника 1. Благодаря этому переменный магнитный поток Ф катушки 2 разветвляется на два потока Ф1 и Ф2.

Поток Ф2 наводит в короткозамкнутом витке 5 ЭДС и, следовательно в нем возникает ток, который создает свой магнитный поток ФКАТ, направленный навстречу потоку Ф2, его вызвавшему. Поток ФКАТ замедляет изменение основного магнитного потока Ф2, проходящего через экранированную короткозамкнутым витком часть полюса. Поэтому результирующая тяговая сила FЭ (кривая 2) хотя и имеет пульсирующий характер, но ее мгновенное значение, изменяясь от FЭ max до FЭ min, не снижается до нуля, и при этом тяговая сила в течение всего времени больше противодействующих механических сил. Реле времени. В практике управления технологическим процессом и отдельным оборудованием часто возникает необходимость включения цепей управления по истечению определенного времени после достижения регулируемым параметром заданного значения. Для этой цели применяют реле времени (РВ). Замедление срабатывания (отпускания) реле, обеспечивающее задержку появления (исчезновения) выходного сигнала после подачи (снятия) входного сигнала, осуществляется электрическими (схемными), механическими или конструктивными методами. РВ бывают: а) тепловые; б) моторные; в) электронные (полупроводниковые); г) электромагнитные с электронным, пневматическим и др. механическими замедлителями. Выдержка времени бывает от долей секунд до нескольких минут. Реле имеют разные наборы контактов: замыкающие и размыкающие с выдержкой времени при замыкании или размыкании входных цепей реле, а также мгновенно срабатывающие контакты. Серийно выпускаются: электронные реле времени серии ВЛ; моторные реле времени серии МРВ; программные реле серии ВС-10; а также командные электропневматические приборы типа КЭП-12 для управления (до 12) электрическими и пневматическими цепями. Герконы - это особый тип реле, представляющий наполненную инертным газом герметизированную стеклянную ампулу с контактными пружинами, помещенную внутри цилиндрической катушки. При пропускании тока по катушке контактные пружины притягиваются друг к другу и замыкают управляющую цепь. Эти реле отличаются высокой надежностью и малыми размерами, частота срабатываний может достигать сотен герц. Диаметр ампулы реле равен 5 мм, а ее длина 20 мм. Срок службы их достигает 108-1012 циклов, тогда как у выше - рассмотренных реле он составляет 106 циклов. 6.4.7. Исполнительные механизмы и регулирующие органы

Исполнительное устройство АСР состоит из двух функциональных блоков: исполнительного механизма (ИМ) и регулирующего органа (РО). Исполнительный механизм под действием управляющего воздействия регулятора у(t) преобразует вспомогательную энергию в перестановочное усилие, благодаря чему перемещается затвор регулирующего органа, изменяющего, например, количество вещества или энергии, поступающего в объект (подачи пара, электроэнергии, газа и т.п.). Дополнительно с помощью ИМ решаются и другие задачи управления: пуск и останов самого технологического процесса, а также различных машин и механизмов по ходу процесса. Исполнительные механизмы бывают: электрические, пневматические, гидравлические, а также комбинированные. Достоинством электрических ИМ является возможность дистанционного управления и простота конструкции. Они в свою очередь подразделяются на электродвигательные и электромагнитные (соленоидные). Электродвигательные ИМ. Основным элементом их конструкции является электродвигатель. Как правило, используются двигатели переменного тока. В зависимости от диапазона поворота выходного вала ИМ бывают однобортные и многобортные. Характеристикой ИМ является номинальный крутящий момент на выходном валу (Н.м), который указывается в числителе индекса механизма, и время одного оборота вала (с). Позиционные ИМ предназначены для перемещения регулирующего органа в одно из фиксированных положений. Примерами таких ИМ являются механизмы для двухпозиционного регулирования типов ДР-М, ДР1М и др. Эти ИМ чаще работают в комплекте с двухпозиционными регуляторами. Пропорциональные ИМ обеспечивают перемещение РО в соответствии с величиной управляющего воздействия. К ним относятся ИМ типов ПР-1М, ПР-М, ИМ-2/120, МЭО и др. Пропорциональные ИМ используются в системах, оснащенных регуляторами непрерывного действия. Системы управления ИМ делятся на релейно-контактные и бесконтактные. Релейно-контактное управление осуществляется посредством различных реле, трехфазных релейных контакторов и магнитных пускателей. Основным недостатком релейно-контактных систем управления электроприводами ИМ является их пониженная надежность, что связано с подгоранием и залипанием контактов. Поэтому в последние десятилетия все большее распространение стали получать бесконтактные системы управления электродвигательными ИМ. Релейно-контактное управление ИМ. Блок-схема управления представлена на рис. 6.23.

Рис. 6.23. Блок-схема релейно-контактного управления ИМ

Сигнал управления регулирующего устройства у(t), которым, в частности, может быть выходной сигнал чувствительного элемента хчэ (например, положение поплавкового уровнемера), воздействует на включение реле, которое своими контактами включает реверсивный магнитный пускатель МП, включающий соответствующую фазу силовой цепи (силовую цепь) питания реверсивного двигателя РД, выходной вал которого сочленен с редуктором Ред, управляющим РО, а последний изменяет свое положение на увеличение или уменьшение количества вещества или энергии в объект регулирования. Бесконтактное управление ИМ. Для такого управления часто используются дроссели насыщения или магнитные усилители МУ. В общем случае блок-схему управления ИМ бесконтактным способом можно представить, как на рис. 6.24.

Рис. 6.24. Блок-схема бесконтактного управления ИМ

В этих системах обязательным является применение усилителей У, обусловленное тем, что мощности выходного сигнала хчэ ЧЭ (датчика), несущего информацию об изменении технологических параметров, как правило, очень малы. Электромагнитные ИМ. По виду движения исполнительного органа они подразделяются на ходовые и электромагнитные муфты с вращательным движением. Электромагнитные ИМ применяются в системах позиционного (чаще двухпозиционного) регулирования, а также для привода различных механизмов в системах автоматического дистанционного управления. Основным рабочим органом ИМ с прямолинейным движением является тяговый

Рис. 6.25. Схема электромагнитного клапана

электромагнит (соленоид). Применяются электромагнитные приводы как переменного, так и постоянного тока, однако последние используются реже, так как требуют дополнительных выпрямительных устройств. Основными достоинствами электромагнитных ИМ являются простота конструкции и высокое быстродействие (по сравнению с электродвигательными механизмами). Однако они развивают меньшие перестановочные усилия и отличаются меньшей надежностью в работе. Схема электромагнитного соленоидного клапана приведена на рис. 6.25. При замыкании управляющего контакта К электромагнит ЭМ возбуждается и втягивает якорь, в результате чего клапан открывается. При размыкании контакта К якорь электромагнита под действием возвратной пружины перемещается вниз и клапан закрывается. Электромагнитная муфта является связующим звеном между приводом и рабочим механизмом. Они подразделяются на муфты фрикционного сухого трения, вязкого трения и индукционные. Пневматические ИМ особо удобны в условиях централизованного пневмохозяйства, не требующего использования индивидуальных компрессоров. Существенным достоинством их является взрыво- и пожаробезопасность, а также самоблокировка при аварийном отключении питания. В пневматических исполнительных механизмах усилие, необходимое для перестановки регулирующего органа, создается управляющим сигналом в виде давления сжатого воздуха Py, действующего на мембрану или поршень.

Рис. 6.26. Схема устройства пневматического Рис. 6.27. Схема гидравлического мембранного ИМ прямого действия поршневого ИМ

Прямолинейные мембранные или поршневые ИМ, дополненные рычажной передачей, создают поворотное перемещение регулирующего органа (например, заслонки в трубопроводе). На рис. 6.26 представлена

схема устройства мембранного ИМ прямого действия, сочлененного с односедельным клапаном, установленным на трубопроводе с малыми расходами вещества. Мембрана с жестким центром связана со штоком 3, на конце которого располагается односедельный клапан 4. Цилиндрическая пружина 2 опирается на регулировочную гайку (на схеме не показано), с помощью которой регулируется степень предварительного сжатия пружины 2. При подаче в рабочую полость ИМ сжатого воздуха (управляющий сигнал давления Ру) усилие, развиваемое мембраной, передается на шток 3, перемещение которого пропорционально давлению сжатого воздуха Ру . Перемещение регулирующего органа 4 (клапана) прекратится, когда упругое противодействие пружины 2 станет равным силе, действующей со стороны мембраны. Гидравлические ИМ в основном бывают поршневого типа. Они применяются при давлении рабочей жидкости в диапазоне 2,5·106-2·107 Па, следовательно, могут развивать большие перестановочные усилия при небольших размерах. На рис. 6.27 показана схема действия гидравлического поршневого ИМ двухстороннего действия с золотниковым управлением. Масло по трубе 1 под давлением Р0 подается в цилиндрический золотник 2 с двойным поршнем 3. В нейтральном положении, изображенном на рисунке, золотник закрывает оба окна п и т, через которые по соединительным каналам 4 масло может поступать в рабочий цилиндр 5. Если поршень золотника перемещается вверх от нейтрального положения, то масло начнет поступать в полость рабочего цилиндра, расположенную над поршнем 6, а последний благодаря разности давлений (Р2>Р1) будет перемещаться вниз. Масло из-под поршня будет сливаться через сливную трубку 7. При перемещении поршня золотника вниз поршень 6 будет двигаться в обратном направлении. Шток 8 перемещает регулирующий орган, например клапан на трубопроводе. В зависимости от моделей ИМ для перемещения поршня золотника требуется усилие 0,2-50 Н, а усилие, развиваемое штоком 8, в 103 раз больше. Таким образом, гидравлический исполнительный механизм является одновременно гидравлическим усилителем силы и мощности. Регулирующие органы. Осуществляют непосредственное воздействие на объект путем изменения расхода вещества или энергии, подаваемых в объект или отводимых из него. РО можно классифицировать по конструкции, виду энергии, способу перестановки и т.д. Примеры сочленения игольчатых клапанов с электромагнитным и пневматическим ИМ даны соответственно на рис. 6.25 и 6.26.

Рис. 6.28. Типы регулирующих органов: а - с поворотной заслонкой; б - край; в - тисковый

По количеству потоков регулируемого вещества различают одно- и двухседельные РО. По конструктивным особенностям различают РО: шланговые и диафрагменные клапаны, с поворотной заслонкой (рис. 6.28, а), краны (рис. 6.28, б), регулирующие реостаты в электрических системах, различные питатели для регулирования расхода сыпучих материалов (порошков, клея и др.), среди которых распространены скребковые, ленточные, шнековые (рис. 6.28, в). Для агрессивных сред применяют диафрагменные и шланговые клапаны, в которых конструкция металлического корпуса изолируется от агрессивной среды диафрагмой с кислотостойкой футеровкой или кислотостойким резиновым шлангом. Для регулирования больших расходов применяют поворотные заслонки. Краны применяют для регулирования расходов жидкости и газов в трубопроводах небольшого сечения. Их преимуществом является простота сочленения с электрическими однооборотными ИМ. 6.4.8. Управление приводами машин и механизмов Задачей системы управления приводами является организация пуска и торможения машин и механизмов, переход с одной ступени скорости на другую, реверс и осуществление этих операций в определенной последовательности во времени или по командам от машин, завершивших очередную технологическую операцию. Эти функции, как правило, являются логическими, определенная их очередность выполнения представляет жесткую программу выполнения операций и реализуется на релейно-контактной аппаратуре при относительно небольшом числе срабатываний ее в час или на бесконтактной аппаратуре, например тиристорных переключателях и др., при большом числе срабатываний. Основными элементами релейно-контактных систем автоматики являются реле, контакторы, магнитные пускатели, кнопки управления, командоконтроллеры, универсальные переключатели, технологические датчики, конечные и путевые выключатели и др.

Контактор - это двухпозиционный аппарат с самовозвратом, предназначенный для частых включений и отключений в силовых цепях. В качестве пускорегулирующей аппаратуры дистанционного действия они применяются для управления приводами мощностью до 20 кВт. Контакторы обладают высокой механической износоустойчивостью и обеспечивают до 1500 срабатываний в час. Магнитные пускатели - это специальные пусковые устройства, состоящие из одного или двух контакторов, тепловых реле и кнопок управления, применяемые в основном при управлении пуском, реверсом, остановом трехфазных асинхронных двигателей. На рис. 6.29 приведена схема дистанционного управления асинхронным двигателем с одного места, в котором имеются силовые цепи подключения двигателя к питающей сети, цепи управления с кнопками управления, катушками контакторов и вспомогательными контактами, а также цепи сигнализации с сигнальными лампами и вспомогательными контактами.

Рис. 6.29. Принципиальная схема управления асинхронным двигателем с магнитным пускателем

Общие принципы построения релейных схем на примере схем блокировки при кнопочном управлении сводятся к следующему. При блокировке в результате взаимосвязи отдельных элементов обеспечивается определенная последовательность включения ряда устройств (механизмов) или выполнения технологических операций. Так, для нормального функционирования схемы с кнопочным управлением применяют самоблокировку в виде параллельного включения замыкающего контакта К. Благодаря этому после включения контактора с помощью кнопки КнП «Пуск» цепь питания катушки сохраняется независимо от положения кнопки. Для бесконтактного управления асинхронными приводами в силовую цепь включают тиристорные коммутаторы. Тиристорные устройства благодаря небольшим габаритным размерам и массе, практической безынерционности, хорошим надежностным характеристикам, обеспечиваемым бесконтактными схемами управления, оказываются вне конкуренции по сравнению с другими устройствами преобразования и управления. 6.4.9. Основные характеристики элементов и линейных систем автоматического регулирования непрерывного действия Исследование элементов и систем автоматического регулирования (управления) связано с изучением процессов, в них протекающих. Характер этих процессов описывается с помощью различных зависимостей, основанных на определенных физико-механических законах, лежащих в основе функционирования элементов систем. Эти характеристики отражают чисто математическую связь между входными и выходными величинами и не зависят от функционального назначения, принципа действия и конструктивного выполнения элементов системы. Поэтому такие характеристики для различных физических элементов (устройств) могут иметь одинаковый вид, что будет свидетельствовать об однотипности характера протекающих в них процессов. АСР и АСУ состоят из связанных между собой функциональных элементов. Поэтому характеристики системы в целом можно получить из характеристик отдельных ее элементов. Статическая характеристика устанавливает зависимость между входной Хвх и выходной Хвых величинами элементов и систем в установившемся состоянии равновесия: Хвых = Хвх.

(6.24)

Эта зависимость может быть линейной и нелинейной. Реальные статические характеристики в большинстве нелинейны. Однако, учитывая сравнительно небольшой диапазон величин, в которых обычно работают физические системы, часто можно представить их линейными характеристиками. При наличии существенной нелинейности статических характеристик приходится принимать меры конструктивного или схемного характера, линезирующие эти характеристики, иначе приходится учитывать нелинейность при расчетах АСР. Динамическая характеристика показывает зависимость между выходной и входной величинами во времени: Х вых= f ( Х вх ,t ).

(6.25)

Они наиболее полно отображают свойства элементов системы и поэтому в дальнейшем используются в качестве основных характеристик при исследовании элементов и систем. Динамические характеристики в теории автоматического управления описываются дифференциальными уравнениями, передаточными функциями, временными и частотными характеристиками. 6.4.9.1. Дифференциальные уравнения для элементов системы Вывод дифференциальных уравнений элементов системы - сложная творческая работа, при которой допускаются определенная идеализация процесса, пренебрежение отдельными факторами, рассмотрение частных случаев и т.д. Математические описания элементов и систем осуществляются на основе физических, электрических, химических, механических и др. законов, на которых основана работа элементов. Учитывая сложность математического описания динамики процессов в элементах, часто прибегают к упрощенным уравнениям, с помощью которых получают приближенные решения исходной задачи. Анализ линейных систем существенно проще, чем анализ нелинейных систем. Поэтому часто применяют линеаризацию нелинейных уравнений, т.е. приведение нелинейных уравнений к линейным. Линеаризация основана на том, что в динамическом процессе автоматической системы все переменные изменяются так, что их отклонения от установившихся значений все

Рис. 6.30. Линеаризация нелинейности

время достаточно малы. Такое допущение справедливо, т.к. цель любой автомати-ческой системы состоит в том, чтобы не допустить отклонение регулируемой величины (а значит, и всех параметров) от заданного значения. Основная идея метода линеаризации заключается в разложении исходного уравнения в ряд Тейлора в окрестности некоторой базовой точки, соответствующей заданному значению регулируемой величины, и вычитании из полученного уравнения в приращениях уравнения для установившегося состояния. Таким образом, получают новое приближенное уравнение, которое отличается от исходного нелинейного тем, что входящие в него переменные заменены их малыми приращениями. Геометрическая интерпретация метода линеаризации нелинейной функции хвых=f'(хвх) представлена на рис. 6.30. Преобразование первоначальной нелинейной функции путем разложения в ряд Тейлора в окрестности точки А с координатами хвх0 и хвых0 и вычитания уравнения для установившегося режима равносильно замене исходной кривой на касательную, проведенную через точку установившегося режима. При этом замена кривой на касательную всегда происходит с ошибкой (на рис. 6.30 заштрихована), величина которой увеличивается с увеличением отклонения аргумента от базового значения. Как видно, чем меньше ∆х, тем меньше ошибка линеаризации. С другой стороны возможность линеаризации тем шире, чем ближе линеаризуемая кривая к прямой. При невозможности линеаризации пользуются методом решения нелинейных уравнений. Используя закон сохранения тепловой энергии и следующие допущения: объект регулирования считается сплошным однородным телом, обладающим бесконечно большой теплоемкостью; тепловая энергия, отдаваемая во внешнюю среду, пропорциональна разности температур объекта регулирования и окружающей среды; температура окружающей среды постоянна; теплоемкость и коэффициент теплоотдачи не зависят от температуры, можно составить следующее дифференциальное уравнение объекта регулирования:

m×C

dQ + a × F ×Q = P, dt

(6.26)

где t - масса объекта, кг; С - удельная теплоемкость, Дж/кг.град; α коэффициент теплоотдачи, Вт/м2.град; F - площадь поверхности теплоотдачи, м2; Θ - превышение температуры над окружающей средой. Приведем уравнение (6.26) к каноническому виду

T

dQ + Q = K × P(t ), dt

(6.27)

Q - Q min m×C ; K = max ; Θmax - установившееся значение темпераPmax - Pmin a ×F туры, соответствующее максимальной подводимой мощности Рmax; Θmin установившееся значение температуры при минимальной подводимой мощности Рmin. Приравняв производную нулю, что соответствует установившемуся режиму, из выражения (6.27) получим уравнение статической характеристики объекта регулирования:

где T =

Q = K ×P.

(6.28)

Здесь входной величиной является мощность нагревателя Р, а выходной - температура Θ рабочей поверхности нагретого тела. Коэффициент К в выражении (6.28) называется коэффициентом передачи (усиления). Он численно равен изменению выходной величины при изменении входной на единицу и может выражаться как в размерном, так и в безразмерном виде. Реакция элемента (звена) системы автоматики на мгновенное скачкообразное изменение входной величины называется кривой разгона (рис. 6.31). Для большинства промышленных объектов реагирования выходная величина начинает изменяться не одновременно с приложением регулирующего (управляющего) воздействия, а спустя некоторый промежуток времени. К таким объектам относятся, например, трубопроводы, тепловые объекты (прессформы, прессы с обогревом, сушилки и т.д.), процессы растворения и др. Время, численно равное времени отставания Рис. 6.31. Кривая разгона объекта реакции изменения выходной величины, называется временем запаздывания τ, кос запаздыванием торое остается постоянным в ходе всего технологического процесса (рис. 6.31, б). При анализе АСР свойство запаздывания учитывается введением в его структуру члена чистого запаздывания

Q (t ) = P (t - t ).

(6.29)

С учетом запаздывания уравнение рассматриваемого объекта примет вид T

dQ + Q = K × P(t - t ). dt

(6.30)

Изменения выходной величины Θ(t) при нанесении скачкообразного входного воздействия Р=Р0 (рис. 6.31, а) описываются уравнением t -t æ ç Q (t ) = K × P 1 - e T ç è

ö ÷. ÷ ø

(6.31)

Инерционные свойства такого объекта определяются постоянной времени Т и запаздыванием τ. В общем случае элементы и системы автоматического регулирования могут описываться линейными дифференциальными уравнениями с постоянными коэффициентами следующего вида: d n xвых d n -1 xвых dx + a1 + ... + an -1 вых + a n xвых = a0 n -1 n dt dt dt

= b0

d m xвх dt m

+ b1

d m -1 xвх dt m -1

+ ... + bm -1

dxвх + bm xвх , dt

(6.32)

при этом в реальных системах n > m. 6.4.9.2. Передаточные функции При исследовании АСР широко используются прикладные математические методы операционного исчисления, существенно облегчающие задачу исследования сложных систем регулирования. В частности, в теории автоматического регулирования используют преобразование функции вещественного переменного (времени) в функцию комплексного переменного, называемое преобразованием Лапласа. Преобразованием функции-оригинала х(t) называется функция х(р) комплексного переменного p = б + jщ , определяемая интегралом Лапласа ¥

x( p ) = ò x( t ) × e - p ×t dt . 0

(6.33)

Символически преобразование Лапласа изображается следующим образом: L[х(t)] = х(р). Применение преобразования Лапласа превращает дифференциальные уравнения в алгебраические, что упрощает дальнейшее решение задач по описанию и расчету систем регулирования. Применив преобразование Лапласа к дифференциальному уравнению (6.32) при нулевых начальных условиях (при t = 0; х (t) = 0; х'(t) = 0 и т.д.), получим уравнение, записанное в операторном виде:

( ao p n + a1 p n -1 + ... + an -1 p + an )xвых ( p ) = = ( b0 p m + b1 p m -1 + ... + bm -1 p + bm ) xвх ( p ).

(6.34)

На основе уравнения (6.34) получается выражение для передаточной функции: xвых ( p ) b0 p m + b1 p m-1 + ... + bm-1 p + bm B( p ) = = W( p ) = . (6.35) xвх ( p ) ao p n + a1 p n -1 + ... + an-1 p + an A( p ) Таким образом, передаточной функцией W(p) называется отношение преобразования Лапласа выходной величины к преобразованию Лапласа входной величины, найденных при нулевых начальных условиях. Для быстрого определения W(p) по виду исходного дифференциального уравнения (6.32) существует формальное правило: необходимо предварительно заменить все производные на р в соответствующей степени, а затем разделить правую часть уравнения на левую. Например, d2х/dt2 заменяется на р2, dх/dt - на р, х - на 1 и т.п. 6.4.9.3. Временные характеристики Временная характеристика или кривая разгона при единичном входном воздействии называется переходной и ее обозначают h(t). Для аналитического нахождения временной характеристики надо решить дифференциальные уравнения для системы при ступенчатом входном воздействии. Для обратного преобразования Лапласа в целях определения переходной функции можно воспользоваться формулой Хевисайда

h( t ) =

A( 0 ) A( p K ) +å × e pK t , B( 0 ) p K × B' ( p K )

где pK - корни уравнения A(p) = 0.

(6.36)

6.4.9.4. Частотные характеристики

Рис.6.32. Амплитудно-фазовая (комплексная) частотная характеристика

Если в выражении для передаточной функции вместо p поставить jω, то получим комплексную частотную характеристику W(jω), называемую амплитуднофазовой частотной характеристикой (АФХ) (рис. 6.32). Ее можно выразить через вещественную и мнимую составляющие, а также

амплитудное и фазовое значения:

W ( jw ) = P( w ) + j × Q( w ) = A( w ) × e j( w ) .

(6.37)

где Р(ω) и Q(ω) - соответственно вещественная и мнимая составляющие АФХ; A(ω) - амплитудно-частотная характеристика (АЧХ), показывающая относительное изменение амплитуд выходного сигнала по отношению к амплитуде входного сигнала от частоты ω входных колебаний; φ(ω) - фазочастотная характеристика (ФЧХ), показывающая зависимость фазы выходных сигналов от частоты ω входных колебаний. Частотные характеристики можно получить и экспериментально: если на вход системы подать гармоническое воздействие xвх с частотой ω и амплитудой Авх, то через определенное время на выходе также установятся гармонические колебания с частотой ω, но с амплитудой сигнала Авых и сдвинутые по фазе на φ(ω). Тогда для входных и выходных колебаний и их отношений справедливы следующие уравнения в комплексной форме:

xвх = Aвх × e jщt ; xвых = Aвых × e j ( wt -j

)

;

W ( jw1 ) = ( Aвых / Aвх ) × e - jj = A( w ) × e jj

(w )

.

(6.38)

6.4.9.5. Типовые динамические звенья АСР Звенья АСР могут иметь различные физические принципы действия, различные схемы и конструктивные формы, а также назначения. Однако с

точки зрения динамических свойств звена имеют значения лишь уравнения, связывающие выходную и входную величины звена. В классическом варианте выделяют обычно семь типовых звеньев: 1) безынерционное звено; 2) инерционное звено; 3) интегрирующее звено; 4) колебательное звено; 5) дифференцирующее звено; 6) упругое (интегродифференцирующее) звено; 7) запаздывающее звено. 1. Безынерционное (статическое) звено. Оно называется также пропорциональным или усилительным звеном и описывается простейшим алгебраическим уравнением

xвых = K × xвх ,

(6.39)

где К - коэффициент передачи. Выходная величина этого звена пропорциональна входной величине. Примеры такого звена показаны на рис. 6.33. Из (6.39) имеем

x вых ( p ) = K × xвх ( p ), (6.40) тогда передаточная функция будет xвых ( p ) (6.41) =K. xвх ( p ) Переходная функция звена получается из алгебраического уравнения при подаче на вход единичного воздействия W( p ) =

h (t ) = K .

(6.42)

Как видно, АФХ представляет собой точку на действительной оси комплексной плоскости, АЧХ постоянна для всех значений частот, а фазовый сдвиг равен нулю: φ(ω)=0.

б

а

в

Рис. 6.33. Примеры безынерционного звена: а - потенциометр; б - рычаг; в редуктор

в

а

б г

Рис. 6.34. Характеристики безынерционного звена: а - переходная функция; б АФХ; в - АЧХ; г - ФЧХ

2. Инерционное (апериодическое) звено описывается следующим дифференциальным уравнением первого порядка:

dx вых + xвых = K × xвх , (6.43) dt где Т - постоянная времени; К - коэффициент передачи. Примеры систем, эквивалентных инерционному звену, представлены на рис. 6.35. T

а

в

а

б

б

г

Рис. 6.35. Примеры апериодического звена: а - RС-контур; б - одноемкостный гидравлический объект; в - магнитный усилитель; г двухфазный асинхронный двигатель

Рис. 6.36. Переходная функция (а) и амплитудно-фазовая характеристика (б) апериодического звена

Переходная функция инерционного звена представляет собой экспоненту с постоянной времени Т (рис. 6.36, а). t æ T ç h(t ) = K × ç1 - e è

ö ÷. ÷ ø

(6.44)

Передаточная функция звена будет

W( p ) =

xвых ( p ) K = . xвх ( p ) Tp + 1

(6.45)

Амплитудно-фазовая характеристика звена

W ( jw ) = A( w ) × e jj

(w )

=

K 1 + ( Tw )

2

× e - j × arctg( Tw ) .

(6.46)

Итак, рассмотрев различные системы, относящиеся к двум типовым динамическим звеньям, мы показали, что они могут описываться общими уравнениями, устанавливающими связь между выходными и входными величинами. Ограниченность объема учебного пособия не позволяет рассмотреть остальные типовые динамические звенья. 6.4.9.6. Основные виды соединений звеньев системы Различные сложные соединения звеньев основываются в основном на трех типовых соединениях: последовательном, параллельном и встречнопараллельном (соединение с обратной связью). Рассмотрим их основные уравнения.

Рис. 6.37. Схема последовательного соединения звеньев

Последовательное соединение (рис. 6.37). Передаточная функция n последовательно соединенных звеньев, равна произведению передаточных функций этих звеньев: n x n( p ) = W1( p ) × W2 ( p )...Wn ( p ) = Õ Wi ( p ) . (6.47) WЭ ( p ) = вых xвх ( p ) i =1 Параллельное соединение (рис. 6.38). Передаточная функция параллельного соединения звеньев WЭ(р) равна сумме передаточных функций этих звеньев: n

WЭ ( p ) = å Wi ( p ) . i =1

(6.48)

Рис. 6.38. Схема параллельного соединения звеньев

Соединение с обратной связью (рис. 6.39) характеризуется наличием цепи передачи выходного сигнала на вход системы. В системах автоматического регулирования бывает основная обратная связь, как правило, отрицательная, и дополнительные обратные связи, предназначенные для коррекции динамических характеристик отдельных звеньев. Последние могут быть как отрицательными, так и положительными. На основе приведенных трех типовых соединений звеньев создаются более сложные структурные схемы реальных АСР.

Рис. 6.39. Схема системы с обратной связью

Как видно, выходной сигнал прямой цепи, он же выходной сигнал системы xвых(p), через цепь обратной связи в виде хос(р) подается на вход

системы. Результат рассогласования ε(p) входного сигнала и сигнала обратной связи подается на вход системы. На основании несложных рассуждений с учетом вышеприведенных правил для последовательного и параллельного соединений звеньев получаем выражение для передаточной функции замкнутой системы:

W ( p) =

Wnp ( p) xвых ( p) , = xвх ( p) 1 ± Wnp ( p) × WOC ( p)

(6.49)

где знаки (+) и (-) соответствуют отрицательной и положительной обратным связям. 6.4.9.7. Устойчивость автоматических систем регулирования. Понятия об устойчивости Одним из важных и необходимых условий работоспособности АСР является их устойчивость. АСР находится в состоянии равновесия, если регулируемая величина не изменяется во времени. Процесс регулирования устойчив, если после отклонения АСР от положения равновесия и устранения возмущения, вызвавшего это отклонение, она вновь с течением времени возвратится к исходному состоянию. Различают три вида состояний равновесия: 1) устойчивое; 2) безразличное; 3) неустойчивое. Эти виды равновесия схематически представлены на рис. 6.40 с помощью различного расположения шариков.

Рис. 6.40. Схема, иллюстрирующая виды равновесия: а - безразличное равновесие; б и г - устойчивое равновесие; в - неустойчивое равновесие

Математически задача устойчивости была решена Л.М. Ляпуновым. Так как это решение справедливо для малых отклонений, то при исследовании исходят из линеаризированных дифференциальных уравнений. В соответствии с вышеприведенным определением устойчивости системы ее поведение характеризуется свободным движением. Решение дифференциального уравнения системы состоит из свободной и вынужденной составляющих. Вынужденная составляющая движения определяется возмущаю-

щими воздействиями и свойствами самой системы. Свободная же составляющая движения определяется только свойствами самой системы и по характеру свободного движения можно судить об основных динамических показателях системы. Потому при исследовании устойчивости систем анализируют свободную составляющую решения, которая аналитически получается из однородного дифференциального уравнения (с нулевой правой частью):

d n xвых d n -1 xвых dx a0 + a1 + an -1 вых + an xвых = 0 . (6.50) n -1 n dt dt dt Решение уравнения (6.50) записывается так:

xвых ( t ) =

n

å Ck × e p

k =1

K ×t

,

(6.51)

где Ск - постоянная интегрировании; рк - корни характеристического уравнения исходного дифференциального уравнения. Характеристическое уравнение имеет вид

a0 pn + a1 pn -1 + ... + an -1 p + an = 0

(6.52)

B( p) , поэтому A( p ) может быть определено из W(p), приравниванием к нулю ее знаменателя А(р)=0. Система автоматического регулирования будет устойчива, если с течением времени все составляющие решения (6.51) стремятся к нулю. Корни характеристического уравнения (6.52) могут быть вещественными (в т.ч. и нулевые), комплексными и мнимыми:

и совпадает со знаменателем передаточной функции W ( p ) =

p K = a K ; p K = в K ± jщK ; p K = ± jщK . Графики решений (6.51) имеют вид, представленный на рис. 6.41. Как видно из графиков решений, переходные процессы при вещественных отрицательных корнях монотонно затухают, при отрицательной вещественной части комплексных корней имеют вид затухающих колебаний, а при мнимых корнях - незатухающие колебания (на рис. 6.41 не показано). Таким образом, для устойчивой линейной системы автоматического регулирования необходимо и достаточно, чтобы

вещественные части всех корней характеристического уравнения были отрицательными. Однако сложность вычисления корней характеристического уравнения АСР вызвала необходимость косвенных методов оценки устойчивости систем, названных критериями устойчивости. Критерии устойчивости. Существует ряд алгебраических критериев устойчивости (Гурвица, Раусса, И.А. Вышнеградтского), основанных на определенных соотношениях коэффициентов характеристического уравнения. Уровень сложности этих критериев зависит от порядка характеристического уравнения. На практике часто отдают предпочтение частотным критериям устойчивости (в частности, критерию Найквиста). Частотный критерий устойчивости Найквиста. Этот критерий получил особо широкое распространение в практике расчетов систем автоматизации благодаря ряду достоинств:

а

б

в

Рис. 6.41. Переходные процессы для различных видов корней характеристического уравнения системы: а - вещественные корни; б, в комплексные корни

- для анализа устойчивости системы по этому критерию используется амплитудно-фазовая частотная характеристика разомкнутой системы, которая может быть получена как аналитически, так и экспериментальным путем, что особенно важно;

Рис. 6.42. К определению устойчивости системы по критерию Найквиста

- использование АФЧХ разомкнутой системы позволяет без риска для АСР, которая может оказаться неустойчивой в замкнутом состоянии, оценить ее устойчивость в замкнутом состоянии до аппаратурного замыкания. Основная формулировка критерия Найквиста сводится к следующему (рис. 6.42): АСР, устойчивая в разомкнутом состоянии, будет устойчива и в замкнутом состоянии, если амплитудно-фазовая частотная характеристика разомкнутой системы не охватывает точку с координатами (-1; /0). 6.4.9.8. Качество автоматических систем регулирования Показатели качества. Условие устойчивости АСР является необходимым, но недостаточным для практическою применения системы, т.к. переходный процесс в системах может быть либо слишком медленным, либо слишком колебательным, либо отличаться недопустимыми отклонениями регулируемой величины. Поэтому система должна отвечать определенным показателям качества регулирования. Оценка качества АСР осуществляется по характеру переходного процесса в системе, получаемого при воздействии на нее наиболее типичных возмущений. Чаще всего в качестве типового возмущающего воздействия используют ступенчатое входное воздействие, характеризующее наиболее тяжелый режим работы оборудования. Это может быть режим пуска, останова, сброса нагрузки и т.д. xвх(t)=0 при t<0; хвх(t)=а при t>0, где а - константа. На рис 6.43 приведены перекидные процессы при обработке по управляющему (рис. 6.43, а) и возмущающему (рис. 6.43, б) воздействиям. Основными показателями качества процесса регулирования являются следующие. Перерегулирование σ характеризует максимальное динамическое отклонение регулируемой величины х1 от исходного состояния равновесия. При этом для переходного процесса по управляющему воздействию (по заданию хзд, показанному на рис. 6.43, а), перерегулирование выражается в % от установившегося значения регулируемой величины:

[(

)

]

у = x1 - x уст / x уст × 100 .

(6.53)

При регулировании по возмущающему воздействию перерегулирование определяется по отношениям двух соседних амплитуд колебаний (рис. 6.43, б):

у = ( x2 / x1 ) × 100.

(6.54)

Время регулирования tp - это промежуток времени от момента нанесения воздействия и соответствующего отклонения регулируемой величины до момента возвращения ее регулятором к исходному значению с точностью ± 5% величины максимального динамического отклонения регулируемой величины х1 (при регулировании по возмущению) или до момента достижения регулируемой величиной нового заданного значения с точностью ± 5% (при регулировании по управляющему воздействию).

а

б

Рис. 6.43. Показатели качества переходного процесса

Остаточное отклонение ε - отклонение регулируемой величины в новом установившемся режиме от заданного значения при регулировании по управляющему воздействию, т.е. e = x зд - x уст , а при регулировании по возмущающему воздействию ε характеризует отклонение регулируемой величины от исходного при окончании процесса регулирования (рис. 6.43, б). Итак, остаточное отклонение характеризует статическую точность системы регулирования. Перерегулирование и время регулирования являются основными показателями качества и тесно взаимосвязаны. Действительно, перерегулирование связано со скоростью, с которой регулируемая величина подходит к установившемуся значению, и чем выше эта скорость, тем больше перерегулирование и колебательность переходного процесса. При уменьшении этой скорости в целях уменьшения перерегулирования, т.е. улучшения динамической точности, происходит увеличение времени регулирования, что также нежелательно. Поэтому принимают компромиссное решение, допуская некоторое перерегулирование, например в 20-45%, при котором обычно получается переходный процесс с 2-3 колебаниями. Итак, все показатели качества сводятся к двум основным показателям: статической и динамической точности регулирования. Для уменьшения величины статической ошибки, а следовательно, повышения точности регулирования, необходимо увеличивать коэффициент усиления системы. Однако увеличение коэффициента усиления системы

ведет к снижению запаса устойчивости. Это видно, например, из критерия устойчивости Найквиста, т.к. увеличение коэффициента усиления системы увеличивает модуль А(ω) амплитудно-фазовой характеристики, приближая его к критической точке [-1, j0], снижая тем самым запас устойчивости системы. Поэтому приходится идти на компромисс, допуская определенную величину статической ошибки регулирования, при которой обеспечивается необходимый запас устойчивости системы. Методы оценки качества переходного процесса. Анализ качества АСР наиболее полно можно осуществить, построив переходный процесс. Существует ряд методов построения переходного процесса, которые отличаются друг от друга степенью трудоемкости и точности. В инженерной практике чаще пользуются приближенными методами оценки качества переходных процессов на основе либо графика вещественной частотной характеристики замкнутой системы, либо расположения корней характеристического уравнения системы на комплексной плоскости корней. Частотный метод оценки качества. Метод позволяет установить ряд текущих зависимостей, дающих возможность оценить качество переходного процесса без его построения, но на основе анализа вещественной частотной характеристики P(ω) замкнутой системы, связанной интегральным соотношением с переходным процессом h(t): ¥ 2 P(w ) h(t ) = ò × sin wt × dw . (6.55) p0 w При определенных затруднениях непосредственного вычисления интеграла (6.55) прибегают к графическому вычислению указанных интегралов. Для этого вещественную частотную характеристику разбивают на типовые трапецеидальные или треугольные характеристики, для которых переходные процессы табулированы hi(t), а далее находят n

h( t ) = å hi ( t ). i =1

6.5. Дискретные автоматические системы регулирования 6.5.1. Понятия о дискретных АСР и их классификация В непрерывных системах существуют только непрерывные сигналы, являющиеся непрерывными функциями времени. В дискретной АСР сигнал изменяется во времени дискретно, скачками. Преобразование непрерывного сигнала в дискретный называется квантованием сигнала. Существует два основных вида квантования: по уровню и по времени. В

соответствии с видами квантования АСР дискретного действия делятся на три типа: релейные, импульсные и цифровые. В целом в этом разделе подробнее рассмотрим лишь релейные АСР. 6.5.2. Классификация релейных АСР Большинство релейных АСР можно представить, как показано на рис. 6.44. Здесь НП - непрерывная часть системы, а РЭ - релейный элемент. Релейный элемент осуществляет квантование непрерывного сигнала X по уровню, преобразуя его в дискретный сигнал У. Релейный элемент - это звено релейного действия, статическая характеристика которого может иметь вид, показанный на рис. 6.45. Простейшей релейной АСР является, например, система регулирования температуры в сушильном шкафу (рис. 6.46). F

y

НП У

X РЭ

-b

b 2b

Рис. 6.44. Релейная АСР

DX

Рис. 6.45. Статическая характеристика двухпозиционного регулятора

Для измерения температуры здесь используется термометр ртутный контактный ТРК. После включения рубильника температура в сушильном шкафу СШ повышается, достигает заданной, контакты термометра ТРК замкнуться ртутным столбиком и катушка электромагнитного реле ЭР окажется под напряжением, разомкнется контакт Кэр и электронагревательный элемент ЭН обесточится. В результате будет понижаться температура, контакты термометра ТРК разомкнутся, катушка реле ЭР обесточится, контакт Кэр замкнется и вновь начнется нагрев.

Рис. 6.46. АСР температуры в сушильном шкафу

По типу релейных элементов релейные АСР называются двухпозиционными, трехпозиционными и т.д. Многопозиционное квантование по уровню применяется главным образом в цифровых САУ. Простота релейных схем объясняется тем, что устройства релейного действия, как правило, значительно проще устройств непрерывного пропорционального действия. Релейные АСР получили широкое распространение благодаря своей простоте, однако имеют и существенные недостатки: регулируемая величина совершает незатухающие колебания около заданного значения даже при отсутствии внешних возмущающих воздействий (режим автоколебаний). 6.5.3. Автоколебания в релейных АСР Из релейных АСР наибольшее распространение в промышленности получили системы двухпозиционного регулирования (СДР). Как следует из примера СДР температуры (см. рис. 6.46), электронагреватель сушильного шкафа может быть либо включенным, либо выключенным, а температура в его рабочем пространстве может либо возрастать, либо уменьшаться относительно заданного значения. Этот режим работы релейных систем регулирования называется автоколебательным, а возникшие незатухающие колебания регулируемой величины - автоколебаниями (автономными колебаниями). Качество переходного процесса при регулировании в таких системах определяется параметрами автоколебаний - амплитудой и частотой (или периодом). Анализ автоколебаний в СДР ведется на основе ее структурной схемы, представляющей последовательное соединение релейного двухпозиционного регулятора - релейного элемента РЭ и линейной части с передаточной функцией WЛЧ (рис. 6.47). При этом линейная часть системы состоит из всех элементов АСР, за исключением релейного, т.е. из объекта регулирования, измерительного устройства, различных внутренних связей и др. Одновременно в структурной схеме имеется обратная связь через звено чистого запаздывания e-pτ, где запаздывание τ равно сумме запаздываний объекта регулирования t об и датчика t Д . В схеме на рис. 6.47 введены относительные величины. Относительное значение регулируемой величины представлено

j2 =

x2 - хнач х - хнач - 2 , хкон - хнач А

(6.56)

где xнач - установившееся значение регулируемой величины, соответствующее минимальной позиции регулирующего воздействия (команды управления); хкон - установившееся значение регулируемой величины, соответствующее максимальной позиции регулирующего воздействия (команды управления); А = хкон - хнач - зона регулирования.

Рис. 6.47. Структурная схема релейной АСР с запаздыванием

Зона неоднозначности в относительных координатах 2s = 2b / A , задаваемое значение регулируемой величины j1 = ( x1 - xнач ) / A . Очевидно, 0<φ2<1, т.к. из (6.56) следует, что при х2 → хнач φ2→0, а при х2 → хкон φ2→1. Следовательно, зона регулирования в этом случае

Aj = 1 - 0 = 1.

Рис. 6.48. Определение параметров автоколебаний в релейной двухпозиционной АСР с запаздыванием

Регулятор получает информацию об изменении регулируемой величины с запаздыванием t , и размах автоколебаний равен уже не 2σ (в относительных единицах), а больше (рис. 6.48). Приращения Δσ1 и Δσ2 возникают благодаря тому, что вследствие инерционности объекта переключения регулирующего воздействия происходят на время t позже. Штриховая кривая на рис. 6.48 соответствует изменению j 2 (t )= j 2 (t - t ). Для определения параметров автоколебаний проведем секущие через точки A, B и С, D до пересечения с линиями установившихся значений j 2 = 1 и j 2 = 0 . В результате геометрических построений образуется две пары подобных треугольников: DAGF ~ DABE и DCNM ~ DCDH . Следовательно, AE / BE = AF / FG и CH / HD = CM / MN , откуда AE = BE × AF / FG и CH = HD × CM / MN . Учитывая, что AE = Ds 1; BE = t ; AF = 1 - j1 - s ; FD = T + t / 2; CH = Ds 2 ; HD = t ; CM = j1 - s ; MN = T + t / 2 , получим

t ü × ( 1 - j1 - s );ï ï T +t / 2 ý t Дs 2 = × ( j1 - s ). ïï T +t / 2 þ Дs 1 =

(6.57)

Тогда размах автоколебаний в относительных величинах будет 2s * = 2s + Ds 1 + Ds 2 = 2s +

t (1 - 2s ). T +t / 2

(6.58)

В абсолютных величинах размах автоколебаний будет ранен 2 s * A . Период автоколебаний можно определить по формуле

TA = 2sTx , где

x=

1 , j1 × (1 - j1 )

(6.59) (6.60)

подставив 2s = 2s * ,

TA = 2s *Tx .

(6.61)

Приращения амплитуды колебаний Δσ1 и Δσ2 зависят от отношения t / T . Для больших значений этого отношения релейные АСР могут оказаться непригодными. Практика показывает, что для удовлетворительной работы релейной АСР необходимо, чтобы t / T £ 0 ,2.

6.6. Автоматизированные системы управления технологическими процессами (АСУ ТП) и гибкие автоматизированные производства (ГАП). Робототехнические системы (РТС) 6.6.1. Общая характеристика АСУ ТП АСУ ТП - это человекомашинная система, обеспечивающая эффективное функционирование технологического объекта на основе быстрой и точной информации о состоянии объекта и выработки соответствующих команд управления объектом с помощью средств автоматизации и вычислительной техники. При этом под технологическим объектом управления (ТОУ) понимается технологическое оборудование и реализуемый в нем технологический процесс производства или транспортирования продукции. Совокупность совместно функционирующих АСУ ТП и ТОУ называется автоматизированным технологическим комплексом (АТК). АСУ ТП отличает преобладание задач оперативного управления ТОУ над задачами организационно-экономического типа, характерных для автоматизированных систем управления предприятием (АСУ П) объединением (АСУ О), отраслью (О АСУ), т.е. АСУ ТП функционирует в одном темпе с управляемым объектом, или в реальном масштабе времени. Социально-экономические причины появления АСУ ТП обусловлены тем, что все труднее становится найти работников на тяжелые, малопроизводительные ручные производственные операции. Поэтому АСУ ТП призваны облегчить труд человека, в том числе в условиях, опасных и вредных для здоровья человека. АСУ ТП, в отличие от АСР локального типа, решает задачи управления технологическим процессом как единым целым во всей сложности взаимосвязи его структур и параметров, автоматизируя принятие решений по оптимальному управлению этим процессом. Локальные АСР, входящие в состав АСУ ТП, автономно реализуют в последней функции управления отдельными частями технологического процесса или оперативного контроля за их режимами и параметрами. Наибольшее распространение получили три принципа построения АСУ ТП: централизованное управление, супервизорное управление, децентрализованное (распределенное) управление. При централизованной АСУ ТП надежность определяется надежностью УСО и УВМ, при выходе

их из строя нормальное функционирование технологического оборудования невозможно. Более широкими возможностями и надежностью обладают АСУ ТП, в которых непосредственное регулирование объектами осуществляется локальными АСР, а УВМ выполняет функции «советчика» в так называемом супервизорном режиме. Основная задача супервизорного управления - автоматическое поддержание процесса вблизи оптимальной рабочей точки, а также возможность оператора использовать плохо формализованную информацию о ходе технологического процесса, вводя через УВМ коррекцию установок, параметров алгоритмов регулирования в локальные контуры (например, при изменении состава сырья и состава вырабатываемой продукции). При большом числе каналов контроля, регулирования и управления, большой длине линий связи в АСУ ТП децентрализация структуры системы становится принципиальным методом повышения живучести АСУ ТП, снижения стоимости и эксплуатационных расходов. Наиболее перспективным направлением распределенных АСУ ТП признано автоматизированное управление процессами с распределенной архитектурой на базе функционально-целевой и топологической децентрализаций объекта управления. Функционально-целевая децентрализация означает разделение сложного процесса или системы на меньшие части - подпроцессы или подсистемы по функциональному признаку (например, переделы технологического процесса, режимы работы агрегатов и т.д.), имеющие самостоятельные цели функционирования. Топологическая децентрализация означает возможность территориального (пространственного) разделения процесса на функционально-целевые подпроцессы, чтобы минимизировать суммарную длину линий связи, образующих вместе с локальными системами управления сетевую структуру. Технической основой современных распределенных систем управления являются микропроцессоры и микропроцессорные системы (МПС). Использование МП и МПС (в т.ч. микроЭВМ) для решения задач распределенных АСУ ТП дает возможность достичь следующих целей: 1) заменить аналоговые технические средства на цифровые там, где переход к цифровым средствам повышает точность, расширяет функциональные возможности и увеличивает гибкость системы управления; 2) заменить технические средства с жесткой логикой на программируемые устройства или контроллеры; 3) заменить одну мини-ЭВМ системой из нескольких микроЭВМ, когда необходимо обеспечить децентрализованное управление производством или технологическим процессом с повышенной надежностью и живучестью или когда возможности мини-ЭВМ полностью не используются.

6.6.2. Назначение, цель и функции АСУ ТП АСУ ТП предназначена для целенаправленного управления технологическим процессом и обеспечения информацией смежных и вышестоящих автоматизированных систем управления. АСУ ТП выдает разнообразную выходную информацию. Например, технологи-операторы получают оперативную информацию в едином темпе с технологическим процессом, что позволяет им своевременно вмешаться в ход процесса, корректировать режимы и нагрузки машин и установок. Целью АСУ ТП является обеспечение оптимального в определенном смысле функционирования технологического процесса, например получения максимального экономического эффекта с учетом плановых, экономических и технических ограничений. В частном случае это может быть максимальная производительность технологического процесса при заданном качестве продукта и исходного сырья, минимальная себестоимость продукции, минимальный расход дорогого сырья и т.п. Функцией АСУ ТП называется совокупность ее действий, направленная на достижение определенной цели. Различают три функции АСУ ТП: управляющую, информационную и вспомогательную. К управляющей функции АСУ ТП относятся: программное изменение режима (пуск-останов машин и агрегатов, аварийные блокировки, распределение нагрузки между агрегатами и т.п.); логическое управление, например определение «узкого места» и согласование нагрузок технологического оборудования; оптимизация установившегося режима технологического процесса в целом и режимов отдельных видов технологического оборудования; оптимальное управление переходными режимами управляемого процесса; автоматическое регулирование и стабилизация отдельных параметров технологического процесса с помощью одноконтурных, комбинированных и многосвязанных АСР; реализация управления исполнительными органами. 6.6.3. Упрощенная структура комплекса технических средств (КТС) АСУТП Структура КТС АСУ ТП представлена на рис. 6.49. На ней выделены устройства сопряжения УВМ с управляемым объектом (УСО), устройства сбора, передачи и преобразования информации, устройства выдачи сигналов из УВМ на объект управления. Сигналы в УСО и каналы связи. Диапазоны изменения информационных параметров в сигналах унифицированы и утверждены соответствующими стандартами. Коммутаторы сигналов. Применение коммутаторов сигналов способствует сокращению объема оборудования, необходимого для организа-

ции приема и выдачи сигналов. По функциональному значению коммутатор подключает раздельно во времени выходы и входы нескольких датчиков и исполнительных устройств ко входам приемников информации. Преобразователи. УСО содержат в качестве основных устройств не только коммутаторы, но и преобразователи АЦП и ЦАП. 6.6.4. Технические средства распределенных АСУ ТП Внедрение микропроцессоров в самые различные устройства на всех уровнях управления создало насыщение цифровым «интеллектом» большого числа отдельных устройств, составляющих аппаратную основу АСУ ТП. Главное преимущество распределенных АСУ ТП - повышение их надежности, а также снижение стоимости линий связи - позволяет уверенно внедрять АСУ ТП там, где недоверие к вычислительной технике как средству автоматизации заставляло сохранять аналоговые регуляторы, приборные щиты и пульты ручного управления. Один из факторов повышения надежности распределенных АСУ ТП состоит в том, что возможна обработка данных в месте их возникновения и потребления без передачи в центральную ЭВМ. Появилась возможность применять вместо одной управляющей ЭВМ несколько процессоров, распределяя между ними прикладные функции и размещая там, где это выгодно, на различных участках технологического процесса. Основная конструктивная единица аппаратуры комплекса - станция, которую можно установить в том или ином месте на объекте управления или на операторском пункте и подключить к локальной сети. Локальные технологические станции (ЛТС) являются средством нижнего уровня управления технологическим процессом и служат для автономного управления некоторым его участком; вместе с тем подключение станции к общей сети передачи данных распределенной АСУ ТП позволяет передавать информацию на центральный пункт управления, групповые операторские и координирующие станции и получать от них задания. Программные модули, хранящиеся в постоянной памяти ЛТС, обеспечивают ПИД-регулирование, каскадное соединение контуров, ввод управления по возмущению, реализуют логическое управление. Операторские станции (ОПС) выполняют функции связи между опе ратором и объектом, а также оператором и средствами АСУ ТП. С расширением функций АСУ ТП все большее значение приобретает повышение надежности технических средств. Эго повышение достигается как путем использования отказоустойчивых (резервированных) средств, так и путем восстановления (иногда автоматического) работоспособности технических средств и программного обеспечения.

Рис. 6.49. Структура комплекса технических средств АСУ ТП

Рис. 6.50. Состав технической части НТК «Комплекс»

Для технической реализации АСУ ТП выпускается ряд малогабаритных локальных микропроцессорных регуляторов температуры типов «Протерм 100», «Минитерм 300» ИРТ-2 и др., обладающих повышенной надежностью и режимами позиционного и ПИД-регулирования, а также мощные программно-технические комплексы (ПТК) «Квинт», «Комплекс» (рис. 6.46), «Техноконт», «Униконт», «Миксис» и др. Основу функционирования, например, ПТК «Комплекс» составляют электронные устройства: датчики, контроллеры регулирующие Р-130, Р-110, логические Л-110, Ш-711, 4 СК, средства передачи данных, ПЭВМ в роли операторской станции и др.

6.6.5. Микропроцессорные автоматические устройства Микропроцессорные комплекты (МПК) различной структуры используются для построения таких типовых средств управления, как программируемые контроллеры (ПК), основной функцией которых является формирование команд управления производственным агрегатом или технологическим процессом; микроЭВМ, предназначенных для выполнения информационно-управляющих функций в автоматизированных системах управления и решения специальных задач, и микропроцессорных систем, структура которых максимально соответствует алгоритму функционирования. В приборах для измерения электрических и неэлектрических величин встроенные микропроцессоры выполняют контроллерные, вычислительные и сервисные функции, позволяющие улучшить технические характеристики этих приборов, придать им новые свойства. Программируемыми микропроцессорными контроллерами (ПМК) или сокращенно микроконтроллерами называют приборы, формирующие команды управляющих воздействий на производственный агрегат или процесс путем логических или логических и арифметических операций преобразования входных сигналов. Достоинством их является то, что выпускаемые промышленностью ПМК доступны в эксплуатации персоналу, не имеющему знаний в области программирования. По замыслу разработчиков их пользователь не программирует находящееся в контроллере цифровое вычислительное устройство, а лишь описывает свою задачу в привычной для него форме. Логические ПМК, предназначенные для замены таких устройств электроавтоматики, как релейные и логические схемы, командные аппараты, нашли широкое распространение в практике автоматизации технологических процессов и положили начало развитию других направлений применения ПМК (регулирующего и координирующего типов). Главный недостаток аппаратных релейно-контактных устройств управления по принципу жесткой логики - недостаточная гибкость при внесении изменений в алгоритм, введении новых функций и др. ПМК логического управления обладают существенным преимуществом при использовании их для решения сложных задач управления (например, при наличии 20 и более реле в заменяемой релейно-контактной схеме). Промышленностью выпускаются: логико-программные многоканальные контроллеры - ломиконты (сер. Л-110, Л-112, Л-120, Л-122), регулирующие контроллеры - ремиконты (Р-100, Р-110, Р-122, Р-130, Р-131, Р-200-215, КР-300). Важной особенностью этих контроллеров является развитое внутреннее программное обеспечение, не требующее использования внешних программных средств - операционных систем,

транслятора и т.п. Оператор работает с такими приборами с использованием так называемого технологического программирования, привычного для специалистов по автоматическому регулированию и технологическому управлению с помощью традиционных аналоговых средств. На одном приборе (например, Р-122) можно реализовать автоматическое регулирование, эквивалентное регулированию 8-16 локальными аналоговыми регуляторами. При этом следует особо отметить компактность прибора: габариты его практически не отличаются от традиционного аналогового ПИД-регулятора. Контроллер КР-300 серии «Контраст» (контроллер для распределения систем автоматического управления технологическим процессом) разработан на основе опыта производства и эксплуатации контроллеров Р-110,

Л-110, Р-130, РК-131/130 и отличается высокой надежностью и низкой стоимостью микроЭВМ. Основу микроЭВМ составляет микропроцессор, который совместно с дополнительными устройствами (вспомогательной памятью, периферийными устройствами, средствами связи и структурно необходимыми другими микропроцессорами и БИС), обеспечивает решение совокупностей разнообразных относительно несложных задач. В частности, это широко распространенные задачи по управлению производственным агрегатом или технологическим процессом с помощью вычислительного комплекса небольшого быстродействия по вводу-выводу. Умеренные технические возможности микроЭВМ (по сравнению с мини-ЭВМ) определяют низкий уровень их стоимости, компактности и обширную область применения в промышленных системах управления в качестве базовых средств построения АСУ ТП. Существенному повышению эффективности распределительных систем управления способствует быстрое развитие и широкое применение в промышленности интеллектуальных датчиков и исполнительных механизмов, осуществляющих получение, обработку и преобразование информации в цифровой сигнал непосредственно в месте их установки в технологическом процессе, что способствует высвобождению излишних вычислительных мощностей и каналов связи. 6.6.6. Актуальность создания гибких производственных систем и факторы обеспечения их гибкости Крупносерийное массовое производство в промышленно развитых странах составляет лишь 20%, единичное же, мелкосерийное и серийное производство - 80%. Связано это с тем, что производители стремятся в короткие сроки предложить большую массу разнообразных товаров высокого качества при определенном снижении их стоимости за счёт снижения доли высокооплачиваемого ручного труда.

а

б Рис. 6.51. Изменение температуры среды при обработке изделий: а - температурновременная кривая раствора; б - структурная схема локальных систем автоматизации управления температурным режимом растворов

Это обусловило поиски новых путей развития автоматизации, а именно разработки программируемых и за счёт этого перестраиваемых средств, т.е. гибкого оборудования. К ним относятся станки с числовым программным управлением, промышленные роботы (ПР), робототехнические системы (РТС) и другие виды оборудования. Ещё большей гибкостью обладают системы на гибких элементах, управляемых ЭВМ как единым целым. Высшей формой автоматизации является гибкое автоматизированное производство (ГАП), а высшей формой ГАП - завод (фабрика)-автомат. Гибкое производство - это в первую очередь такое производство, которое за короткое время при минимальных затратах, на том же оборудовании, не прерывая производственный процесс и не останавливая оборудование, по мере надобности позволяет переходить на выпуск новой продукции, в общем случае произвольной номенклатуры в пределах

технических возможностей и агрегатов. Тем самым гибкое производство позволяет удовлетворить требования быстроизменяющейся потребности. Одним из направлений, позволяющим повысить гибкость производства, является комплексная автоматизация производственных процессов. Системы автоматического управления широко используются в управлении и стабилизации параметров химико-технологических процессов. Так, локальные системы автоматизации (ЛСА) реализуют программу измерения, например температуры обработки изделий, так называемую температурно-временную кривую (ТВК). На рис. 6.51, а представлена программа изменения температуры Тпр в камере. На рис. 6.51, б изображена структурная схема ЛСА управления температурновременным режимом (ТВК). Техническая реализация автоматизированного рабочего места (АРМ) исследователя и экспериментатора, проектировщика, технолога, а также реализация управляющих цифровых вычислительных машин с большим объемом памяти и быстродействием, построение производственной вычислительной сети (ПВС) могут быть осуществлены на базе единой цифровой машины либо соединены между собой в единую вычислительную сеть нескольких ЭВМ (ПЭВМ).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ Автоматизация всех подотраслей огромной отрасли стройиндустрии базируется на системном подходе к разработке и проектированию распределенных систем управления, предполагающих единство цели управления, совместимость аппаратных и программных средств в единой системе, согласованность структуры и функций и т.д., использование открытых технологий, отвечающих международным стандартам на все виды обеспечений. Многие фирмы выпускают различные по вычислительным ресурсам и возможностям контроллеры, которые удовлетворяют всем потребителям производства. Сохраняются тенденции повышения быстродействия процессоров и объема памяти компьютеров и контроллеров при существенном снижении габаритов аппаратов: корпусов, плат, периферии. Растут показатели надежности средств автоматизации и систем управления в целом. Широко используются методы структурного резервирования узлов и систем управления. Расширяются температурный диапазон применения специализированных компьютеров и контроллеров (от -40 до 85 ºС), степень защиты от пыли, влаги, вибрации и др. характеристики, что особенно важно для предприятий. Ускоренными темпами развиваются интегрированные пограммно-аппаратные средства систем управления предприятием в целом – от технологического уровня АСУ ТП до бизнесуровня. В целом наблюдается некоторое предпочтение в распределении средств автоматизации и систем управления по крупным отраслям промышленности (нефтеперерабатывающая, нефтегазовая, химическая и строительная). Практика автоматизации в стройиндустрии за последние 3 – 4 года показывает, что быстрое развитие информационных технологий, в том числе периодической литературы (журналов), освещающих основные аспекты построения и функционирования аппаратно-программных средств РСУ будет и должно развивать РСУ параллельно с практической реализацией систем на конкретных предприятиях, что показано в учебном пособии на ряде примеров. Быстрое развитие автоматизации жилых и социально-культурных зданий и сооружений, утвердившее понятие «интеллектуальное здание», оснащенное передовыми достижениями бытовой техники и средств автоматизации, коренным образом изменило качество среды обитания и тем способствует дальнейшему развитию качества жизни человека по всем параметрам.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ 1. Что такое управляющие операции и процесс управления? 2. Что такое автоматическая и автоматизированная системы управления? 3. Дайте определение АСР. Чем она отличается от АСУ? 4. Приведите схему обобщенной функциональной АСР и поясните функциональное назначение ее элементов. 5. Что такое ГСП? Функциональное назначение ее групп. 6. Что определяет научная и техническая основы САК? 7. Откуда берет начало Главная палата мер и весов и кто был первым ее руководителем? 8. Назначение и структура организационной основы метрологического обеспечения средств измерения и автоматизации. 9. Дайте классификацию и определения методов измерения. 10. Приведите классификацию и определения средств измерения. 11. Важнейшие характеристики измерения. 12. Общие сведения о датчиках и современные тенденции датчикостроения. 13. Принципы измерения физических величин с помощью потенциометрических и тензорезисторных датчиков. 14. Емкостные датчики: назначение, конструктивные различия, достоинства и недостатки. 15. Электромагнитные датчики: конструктивные различия и области применения. 16. Измерительные схемы для датчиков: классификация и области применения. 17. Методы измерения температуры на предприятиях стройиндустрии (указать область применения в наиболее важных подотраслях стройиндустрии). 18. Дайте классификацию основных типов вторичных приборов и оцените их перспективность по сравнению с новыми разработками средств компьютерно-контроллерного типа. 19. Измерение давления: методы измерения и комплексные приборы. 20. Методы измерения количества и расхода вещества в жидком и сыпучем состояниях в строительстве. 21. Измерение уровня жидких и сыпучих материалов в различных емкостях в строительстве. 22. Измерение влажности твердых материалов в строительстве. 23. Измерение кислотности (щелочности) растворов. 24. Автоматические системы регулирования (АСР) технологических параметров (определение, назначение и области применения, класси-

фикация линейных непрерывных АСР по принципам регулирования и по наиболее важным признакам, характеризующим АСР. 25. Классификация АСР по характеру изменения заданного значения регулируемой величины и остаточного отклонения в установившимся состоянии. 26. Назовите основные свойства объектов регулирования. 27. Классификация линейных АСР, их уравнения, достоинства и недостатки. 28. Краткая характеристика наиболее распространенных нелинейных законов регулирования. 29. Назначение и классификация усилительно преобразовательных устройств. 30. Исполнительные механизмы и регулирующие органы, принципы их классификации и области применения. 31. Релейно-контактное уравнение ИМ в строительстве. 32. Бесконтактное управление исполнительными механизмами. 33. Схематическое устройство пневматических и гидравлических ИМ и роль их использования на предприятиях стройиндустрии. 34. Регулирующие органы (классификация и применение их в строительстве). 35. Статические и динамические характеристики элементов и автоматических систем регулирования (АСР) в объектах строительства непрерывного действия. 36. Передаточные функции и временные характеристики, их назначение при анализе и синтезе АСР. 37. Частотные характеристики АСР, их виды и использование для анализа и синтеза систем. 38. Типовые динамические звенья АСР, виды их соединений и способы применения для анализа устойчивости АСР на основе алгебраических и частотных критериев. 39. Переходные процессы в АСР, основные показатели качества (перерегулирование, время регулирования, остаточное отклонение). 40. Дайте характеристику областей применения систем регулирования по управляющему воздействию (по заданию Xзд) и по возмущающему воздействию и как решается проблема компромисса, допускающая определенную незначительную величину статической ошибки регулирования с увеличением коэффициента усиления системы, но сохраняющая необходимый коэффициент запаса устойчивости системы? 41. Понятия о дискретных системах АСР и их классификация. 42. Автоколебания в релейных двухпозиционной АСР с запаздыванием. Определение параметров автоколебаний в АСРД, например при

регулировании тепловым объектом. 43. Сущность распределительных АСУ ТП на основе функционально-целевой децентрализации и топологической децентрализации и современная техническая основа реализации РСУ. 44. Обобщенная структура комплекса технических средств АСУ ТП. 45. Техническая реализация АСУ ТП на основе современных малогабаритных локальных микропроцессорных регуляторов, например температуры, типов «Протерм 100», «Минитерм 300» и многих других, а также мощных программно-технических комплексов (ПТК) «КВИНТ», «Комплекс», «Техноконт» и др., основу которых составляют контроллеры Р-130, Р-110, ЧСК, Ш-711, КР-300 и др. 46. Актуальность создания гибких производственных систем и факторы обеспечения их гибкости. 47. Некоторые общие принципы автоматизации производственных процессов в стройиндустрии. 48. Строительство как одна из разветвленных и ведущих отраслей народного хозяйства. 49. Общность технологических процессов предприятий стройиндустрии и связь ее с основными задачами автоматизации технологического оборудования и процессов. 50. Развитие кибернетики и новых принципов адаптационного автоматического управления. Отличительные особенности самонастраивающейся АСУ по сравнению с принципами управления по отклонению и возмущению. 51. Дополнительные устройства, образующие контур самонастройки в структуре самонастраивающейся системы управления, для достижения требуемых показателей качества процесса управления. 52. Состав технических средств (ТС) для автоматизации управления технологическими процессами и выполняемые ими функции. 53. Критерии, определяющие оптимальный выбор комплекса технических средств автоматизации технологических процессов. 54. Зависимость экономичности Э от объема капитальных вложений К и «совершенства» С технических средств. Эффективность Эф АСУ ТП. 55. Сущность двух основных комплексов работ по созданию АСУ ТП. 56. Основные базовые принципы выпуска и эксплуатации систем с использованием перспективных научно-технических средств, заложенные в ГСП-2. 57. Характеристика российского варианта CALS-технологии. 58. Этапы построения государственной системы промышленных приборов и средств автоматизации (ГСП).

59. Назначение, цели и функции АСУ ТП. 60. Типовые структуры и средства управления технологическими процессами (ЛСКРиУ, СЦКРиУ). 61. Дайте характеристику систем прямого цифрового управления (ПЦУ) и супервизорного управления. 62. Что такое ЛВС и ЛУВС, их отличие и выполняемые функции? 63. Топологии распределенных АСУ ТП (радиальная, кольцевая и шинная)? 64. Средства построения ЛУВС с магистральной структурой. 65. Поясните типовой расчет ТС АСУ ТП. 66. Дайте определения основных понятий типизации, унификации и агрегатирования ТС и КТС. 67. Общая характеристика программируемых микропроцессорных контроллеров (ПМК) типа ремиконт и ломиконт. 68. Физические структуры ремиконта и ломиконта, их назначение, сходство и различие между собой и с микроЭВМ. 69. Особенности языков программирования ремиконтов и ломиконтов. 70. Принцип конфигурирования ремиконта. 71. Приведите блок-схему контура регулирования с применением контроллеров MOD-30 и MOD-300. 72. Дайте структуру КТС АСУ ТП, построенную с применением MOD-300, DPSS, DCN, LAN, TPIO и полевой аппаратуры. 73. Общее описание и классификация программируемых логических контроллеров (ПЛК). Применение их в РСУ. 74. Характеристика моноблочных (компактных) контроллеров (классификация, устройство и область применения). 75. Коммутационные модули: назначение и функции. 76. Модули специального назначения: классификация и назначение. 77. Программное обеспечение АСУ ТП с ПЛК. 78. SCADA-системы в распределенных системах управления. 79. SCADA-системы, встраиваемые в ПЛК: область применения. 80. Промышленные сети контроллеров. Назначение и классификация. 81. Архитектура промышленных сетей. 82. Топология промышленных сетей. 83. Методы организации доступа к линиям связи. 84. Открытые промышленные сети: назначение. 85. Интегрированные системы управления, назначения и реализация в общей структуре управления предприятием. Приведите иерархию системы управления в общей структуре управления предприятием. 86. Приведите краткую характеристику бюджетирования, управленческого планирования и контроля на примере использования

СРМ-систем. 87. Серверы баз данных - компьютеры с большим вычислительным ресурсом. Назначение и концепция использования. Классификация серверов. 88. Решение типовых задач управления на языках IEC 611-3 с применением ПЛК в системах РСУ. 89. Приведите пример использования ПЛК для управления системой автоматизированного подогрева воды. 90. Приведите пример составления программы управления объектом, например управления светофором, обеспечивающим регулировку транспортных потоков в соответствии со следующим графиком: 10 с горит красный свет; 10 с горят красный и желтый сигналы; 10 с горит зеленый свет; 5 с зеленый свет мигает; 5 с горит желтый свет. 91. АСУ ТП печей обжига цементного клинкера: краткая характеристика объекта управления и решаемые задачи. 92. Автоматизация поточно-транспортных средств. Характеристика транспортных средств как объектов автоматизации на примере средств непрерывного и периодического действия. 93. Автоматический контроль и сигнализация работы конвейерного транспорта. Классификация используемых датчиков и выполняемые ими функции. 94. Автоматическое управление конвейерным транспортом. 95. Автоматическое управление устройствами пневматического транспорта. 96. Автоматическое управление транспортными машинами периодического действия. 97. Автоматизация складов материалов и изделий и характеристика их как объектов автоматизации. 98. Автоматическое управление оборудованием склада цемента. 99. Автоматическое управление оборудованием склада заполнителей. 100.Автоматический контроль и учет материалов на складе заполнителей. 101.Автоматизация процессов сушки и нагрева материалов на складах. 102.Автоматизация процессов дробления и сортировки. Характеристика предприятий по переработке нерудных строительных материалов. 103.Автоматизация регулирования производительности дробилок. 104.Статические и динамические характеристики щековой дробилки.

105.Автоматическая оптимизация дробильно-сортировочных процессов. 106.Автоматическое управление щековой дробилкой. 107.Автоматическая защита, сигнализация и учет работы щековых дробилок. 108.Автоматизация конусных и валковых дробилок. 109.Автоматическое управление работой виброгрохотов. 110.Оптимизация процессов грохочения. 111.Автоматизация поточных технологических линий дробильносортировочных систем. 112.Автоматизация процессов дробления и взвешивания. Классификация технологических дозаторов и весов. 113.Динамические погрешности процессов дискретного дозирования. 114.Автоматическое управление дозаторами дискретного действия. 115.Динамические и статические характеристики дозаторов непрерывного действия. 116.Автоматическое управление дозаторами непрерывного действия. 117.Автоматический контроль расхода материалов при дозировании. 118.Автоматический контроль расхода материалов на конвейерных лентах. 119.Автоматическое взвешивание материалов в железнодорожных вагонах и автотранспорте. 120.Автоматизация смесительного оборудования. Классификация строительных установок и процессов. 121.Автоматизация управления смесительной установкой в функции времени. 122.Автоматизация управления смесительной установкой с контролем тока двигателя. 123.Автоматическое регулирование вязкости (подвижности) бетонной смеси. 124.Приведите примеры передовых технологий автоматизации ПТА (датчик динамографа, система управления производством на основе контроллеров, адресуемый пожарный многоканальный сигнализатор МС-АП-01 и др.). 125.Высокоселективный микроволновый метод управления вязкостью (подвижностью) бетонной смеси. 126.Автоматизация процессов формирования и уплотнения. Классификация установок и процессов формирования и уплотнения. 127.Автоматическое управление установкой для центрифугирования труб: назначение и принцип действия. 128.Автоматическое управление установкой для радиального прессования труб: назначение и принцип действия.

129.Автоматическое управление установкой для формования плит: назначение и принцип действия. 130.Автоматическое управление оборудованием для формирования многопустотных панелей: назначение, технологическое оборудование и принцип действия. 131.Автоматизация термовлажностной обработки изделий. Основные процессы и установки для обработки. 132.Автоматизация термовлажностной обработки изделий в пропарочных камерах. 133.Автоматизация процессов термовлажностной обработки изделий в кассетах. 134.Автоматизация процессов термовлажностной обработки железобетонных изделий в вертикальной камере башенного типа. 135.Автоматизация процесса термовлажностной обработки строительных изделий в автоклавах. 136.Автоматизация термовлажностной обработки изделий с контролем прочности. 137.Многоканальное регулирование температуры в пропарочных камерах, кассетах, автоклавах. 138.Расчет устойчивости многоканальных систем автоматического регулирования. 139.Автоматизация арматурных работ при производстве железобетонных изделий. Общие сведения об арматуре и ее изготовлении. 140.Автоматическая машина и автоматическая линия для сварки арматурных сеток. 141.Автоматизация процессов предварительного напряжения арматуры. 142.Причины появления интеллектуальных зданий и их эстетическая и техническая реализация. 143.Современные инженерные системы интеллектуального здания. 144.В чем суть систем децентрализованного теплоснабжения на базе автономного теплогенератора. 145.Сущность энергосбережения при использовании пароутилизаторов. 146.Сравнительный анализ пароутилизаторов и бойлеров. В чем суть экономического эффекта? 147.Сущность современного взгляда на обычные учетно-распределительные приборы. 148.Тиристорный регулятор как средство экономии в нагревательных системах. 149.Технология комплексного теплового неразрушающего контроля зданий и строительных сооружений. Опыт и современная теория.

150.Структура многоуровнего комплексного тепловизионного контроля зданий и строительных конструкций. 151.Сущность современной теории и технологии теплового неразрушающего контроля. 152.Перспективные мониторинги технического состояния строительных конструкций. 153.Методы обнаружения и мониторинга развития трещин в строительных конструкциях. Схема лазерного эндоскопа. 154.Сущность обнаружения трещин с помощью разрывных датчиков. 155.Перспективный мониторинг и управление объектами ЖКХ и системами безопасности. 156.Практические задачи по организации системы строительного мониторинга. 157.Организация системы мониторинга на базе пьезокерамических датчиков. 158.Поясните сущность мониторинга фасадных систем на базе амплитудных волоконно-оптических датчиков. 159.Архитектура и безопасность среды обитания человека. 160.В чем суть применения нейроинформационных технологий на службе безопасности населения. 161.Классификация, определения и функциональная терминология в строительном мониторинге. 162.Сущность автоматизации зданий. 163.Вихревые гидрокавитационные установки. 164.Классификация АСУ по основным признакам. 165.Сущность разработки специального ПО АСУ строительным предприятием (АСУ СП), обеспечивающего полную синхронизацию всех бизнес-процессов и учитывающего особенности сетевого и телекоммуникационного оборудования. 166.Модели и алгоритмы постановки задач разработки АСУ промышленными объектами. 167.Нейросетевое управление ресурсами в структурном подразделении предприятия.

Библиографический список 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11. 12. 13. 14. 15. 16. 17. 18. 19. 20.

Камниер М.Б., Альтшуллер С.В., Катков А.А. АСУ ТП нефтепереработки и нефтехимии. Методология, реализация перспективы: Обзор информации. – М.: ЦНИИТЭнефтехим, 1991. – Вып.4.-44с. Абдулин С.Ф. Автоматизация химических производств: Учебное пособие. – Омск: Изд-во ОмГТУ, 2002. – 144с. Фролов С.В. Тенденции развития систем управления технологическими процессами // Приборы и системы управления. – 1996.-№ 9. – С. 6–8. Зелечёнок Г.Г. Автоматизация технологических процессов и учета на предприятиях строительной индустрии: Учебное пособие для вузов. – М.: Высшая школа, 1975. – 351с. Нечаев Г.Г., Пух А.П., Ружечка В.А. Автоматизация технологических процессов и учета на предприятиях строительной индустрии: Учебное пособие. – Киев, 1979. – 280с. Автоматизация заводов по преработке нерудных строительных материалов / Под ред. Н.А. Окунева. – Л.: Стройиздат, 1976. Безнарь В.К. Автоматизация в производстве сборного железобетона. – Минск: Высшая школа, 1971. Боронихин А.С. Основы автоматизации производства железобетонных изделий. – М.: Стройиздат, 1981. Карпин Е.Б. Средства автоматизации для измерения и дозирования массы. – М.: Машиностроение, 1971. Лапир Ф.А. Оборудование и средства автоматизации для производства бетона и железобетона. – М.: Машиностроение, 1973. Марсов В.И., Славуцкий В.А. Автоматическое управление технологическими процессами на предприятиях строительной индустрии. – Л.: Стройиздат, 1975. Ситковский А.Я., Рабинович Г.А. Автоматизация дробилок. – М.: Энергия, 1968. Смехов А.А. Автоматизация на складах. – М.: Машиностроение, 1971. Яворский Г.А. Системы автоматизированного диспетчерского управления ДСК. – Киев: Будивельник, 1973. Троп А.Е., Козин В.З., Прокофьев Е.В. Автоматическое управление технологическими процессами обогатительных фабрик: Учебник для вузов. – 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Недра, 1986. – 303с. Автоматизация производственных процессов и АСУ промышленности строительных материалов / Под ред. В.С. Кочетова. – Л.: Стройиздат, 1981. Гельфанд Я. Н. и др. Автоматическое регулирование процессов дробления и помола в промышленности строительных материалов. – Л.: Стройиздат, 1969. Ицкович Э.Л. Особенности микропроцессорных ПТК разных форм и их выбор для конкретных объектов // Приборы и системы управления. – 1997. – №8. Ицкович Э.Л. Классификация микропроцессорных программно- технических комплексов // Промышленные АСУ и контроллеры. – 1999. – №10. Похоменко А. и др. Автоматизированная система управления технологическим прцессом производства бетонных смесей / СТА. – 2005. – №1. – С. 32.

21. Справочник проектировщика АСУ ТП / Г.Л. Смилянский, Л.З. Амлинский, В.Я. Баранов и др.; Под ред. Г.Л. Смилянского. – М.: Машиностроение, 1983. – 527с. 22. Скурихин В.И., Дубровский В.В., Шифрин В.Б. АСУ ТП: Автоматизация проектирования комплекса устройств автоматики. – Киев: Наукова думка, 1981.- 284с. 23. Комплекс технических средств для локальных информационно-управляющих систем на базе микросхем с повышенной степенью интеграции и микропроцессоров (КТС ЛИУС-2). Общая часть/ЦНИИТЭИ приборостроения // Сер. «Государственная система промышленных приборов и средств автоматизации». – М., 1981.-Вып. 4,ч. 4, №10. – 32с. 24. Анашкин А.С., Кадыров Э.Д., Харазов В.Г. Техническое и программное обеспечение распределительных систем управления. – СПб.: «П-2», 2004. – 368с. 25. Государственная система промышленных приборов и средств автоматизации: Отраслевой каталог. Регулирующий микропроцессорный контроллер «Ремиконт Р-100»/ЦНИИТЭИ приборостроения. – М., 1985. – Вып. 13, 14. – 89с. 26. Государственная система промышленных приборов и средств автоматизации: Отраслевой каталог. Вып. 6–9. Регулирующие микропроцессорные контроллеры ремиконты Р-110, Р-112, Р-120. Р-122. – М.: Информприбор, 1987. – 139 с. 27. Шальман Л. М. «Ремиконт Р-100» в АСУТП // Приборы и системы управления. – 1987. – № 8. –С. 6–8. 28. Иордан Г.Г., Курносов Н.М., Булатов В.В., Певзнер В.В. Новые модели регулирующих микропроцессорных контроллеров ремиконтов // Новые микропроцессорные средства распределенного управления: Сб. научн. тр./ Под ред. В.В. Певзнера. – М.: НИИтеплоприбор, 1986. – 108с. 29. ГСП. Технические средства АСУ ТП. Средства централизованного контроля и регулирования. Микропроцессорные контроллеры ремиконты и ломиконты // Информприбор. – М., 1991. – 56 с. 30. Автоматическое управление технологическими процессами отделочного производства / Л.И. Беленький, А.А. Омельчук, С.С. Швыров. – М.: Легкопромбытиздат, 1990. – 208с. 31. Лапшенков Г.И., Полоцкий Л.М. Автоматизация производственных процессов в химической промышленности. Технические средства и лабораторные работы. – М.: Химия, 1988. – 288с. 32. Захлев А.И. Применение «Ремиконта Р-100» для оперативного контроля состояния многопараметрических процессов// Новые микропроцессорные средства распределенного управления: Сб. научн. тр./ Под ред. В.В. Повзнера – М.: НИИтеплоприбор, 1986. – 108с. 33. Иордан Г.Г., Певзнер В.В. Регулирующий микропроцессорный контроллер «Ремиконт Р-100» // Микропроцессорные средства и системы. – 1984. – №2. – С. 75. 34. Комплекс технических средств децентрализованных АСУ ТП (обзорная информация) / М.М. Сухомлинов, А.А. Прокофьев, Г.Н. Малиновский и др. // Сер. ТС-3 « Автоматизированные системы управления». – М.: ЦНИИТЭИ приборостроения, 1983. – Вып. 3. – 40с.

35. Микропроцессорная система ГРАСмикро для построения распределенных АСУ ТП / А.А. Опрышко, К.Б. Пальчик, Я.А. Ханукаев и др. // Приборы и системы управления. – 1986. – №6. – С. 2-4. 36. Прангишвили П.В. Микропроцессоры и локальные сети микроЭВМ в распределительных системах управления. – М.: Энергоатомиздат, 1985. – 272с. 37. Приборы и средства автоматизации: Каталог 4.2. Вторичные приборы / Е.А. Бейгул, З.Б. Лебедев, В.В. Поляков и др. – М.: ЦНИИТЭИ приборостроения, 1986. – 128с. 38. Робототехника и гибкие автоматизированные производства: В 9 кн. Кн. 4. Вычислительная техника в робототехнических системах и гибких автоматизированных производствах / В.З. Рахманкулов, Ж.П. Ахромеев, В.В. Герасимов и др.; Под ред. И.М. Макарова. – М.: Высш. шк., 1986. – 144с. 39. Состояние и тенденции развития средств для распределенных АСУ ТП (обзорная информация) // Сер. ТС-Б «Приборы и устройства для контроля и регулирования технологических процессов». – М.: ЦНИИТЭИ приборостроения, 1985. – Вып. 4. – 48с. 40. Стефании Е.П. Основы построения АСУ ТП. – М.: Энергоатомиздат, 1982. – 352с. 41. Шеффлер Д.Д. Распределенные компьютерные системы для управления производственными процессами // Computer. – 1984. – Т.17. – №2. – С. 11–18. 42. Якубайтис Э.А. Локальные информационно-вычислительные сети. – Рига: Зинатне, 1985. – 284с. 43. Мячев А.А., Иванов В.В. Интерфейсы вычислительных систем на базе минии микроЭВМ / Под ред. Б.Н. Наумова. – М.: Радио и связь, 1986. – 246с. 44. Бойченко Е.В. и др. Локальные вычислительные сети. – М.: Радио и связь, 1985. – 304с. 45. ГСП. Методическое пособие для инженерно-технических работников / С.Я. Борисов, Г.И. Кавалеров, А.Б. Родов и др.; Под. общ. ред. Г.И. Кавалерова. – М.: ЦНИИТЭИприборостроения, 1981. – 392с. 46. Диденко К.И. Проектирование агрегатных комплексов технических средств для АСУ ТП. – М.: Энергоатомиздат, 1984. – 168с. 47. Хвеливицкий Л.О. и др. Основные принципы типизации в разработках АСУ ТП // Вопрсы промышленной кибернетики. Тр. ЦНИИКА. – М.: Энергия, 1979. – Вып. 58. – С. 8 –11. 48. Алексеев А.А. Микропроцессорные системы автоматической защиты на базе контроллеров ЭК-2000 фирмы «Эмикон» // Приборы и системы управления. – 1998. – №10. – С. 33–36. 49. Алексеев А.А., Алексеев М.А. Программно-технические средства фирмы «Эмикон» // Приборы и системы управления. – 1998. – №6. – С. 30–32. 50. Деменков Н.Н. Промышленные контроллеры: Весна-97 // Приборы и системы управления. – 1997. – №10. – С. 56–60. 51. Гельфанд А.М. и др. Многофункциональный комплекс программноаппаратных средств для построения распределенных систем управления – МФК «Техноконт» // Приборы и системы управления. – 1994. – № 1. – С. 2–5. 52. Бобровников Н.Р. и др. Многоканальный пневметический преобразователь АСТРА8 // Приборы и системы управления. – 2001. – № 7. – С. 51–52.

53. Аристова Н.И., Корнеева А.И. Промышленные прграммно-аппаратные средства на отечественном рынке АСУТП. – М.: ООО Изд-во «Научтехлитиздат», 2001. – 399с. 54. Сафонов А.Ф. Передовые технологии автоматизации // СМОТ 21 ВЕКА. – 2004. – №2. – С.52–53. 55. Давыдов А.Е. Комплексная автоматизация проектно-строительных работ от компании NemetschekA.G // СМОТ 21 ВЕКА. – 2004. – №3. – С. 52–53. 56. Мишель Ж. Программируемые контроллеры: Архитектура и применение / Пер. с фр. И.В. Федотова; Под ред. В.С. Иругова. – М.: Радио и связь, 1986. – 176с. 57. Шагурин И.И., Ванюлин В.А., Зельтинг Д.А., Головин Е.Ю. SNMP-агенты для дистанционного контроля оборудования операторских сетей // Технология и средства связи. – 2001. – №1. 58. Шагурин И.И., Мокрецов М.О., Ванюлин В.А., Шкуренков А.Л. Процессорно-коммуникационные модули для распределенных систем автоматического управления // Промышленные АСУ и контроллеры. – 2002. – №12. 59. Харазов В.Г. и др. Экономическая АСУТП на базе промышленного контроллера фирмы Matsushita // Промышленные АСУ и контроллеры. – 2001. – №7. 60. Довыдов В.Г., Чоне Динь Тяо. ОРС – серверы с открытой архитектурой – средства взаимодействия компонентов в промышленной автоматизации // Автоматизация в промышленности. – 2003. – №7. 61. Блэк Ю. Сети ЭВМ: протоколы, стандарты, интерфейсы. – М.: Мир, 1990. – 510 с. 62. Гук М.Ю. Аппаратные интерфейсы ПК. – СПб.: Питер, 2002. – 527с. 63. Кульгин М.В. Технологии корпоративных сетей: Энциклопедия. – СПб.: Питер, 2000. – 699с. 64. Олифер В.Г., Олифер Н.А. Компьютерные сети. Принципы, технологии, протоколы. – СПб.: Питер, 2002. – 668с. 65. Семенов Ю.А. Протоколы Internet: Энциклопедия. – М.: Горячая линия Телеком, 2001. – 1996с. 66. Теркель Д.А. OLE for Process Control – свобода выбора // Современные технологии автоматизации. – 1999. – №3. 67. Толковый словарь по вычислительным системам / Под ред. В. Иллингуорта, Э.Л. Глейзера, И.К. Пайла: Пер. с англ.; Под ред. Е.К. Масловского. - М.: Машиностроение, 1989. – 568с. 68. Эрглис К.Э. Интерфейсы открытых систем. – М.: Горячая линия Телеком, 2000. – 783с. 69. Якубайтис Э.А. Информационно-вычислительные сети. – М.: Финансы и статистика, 1984. – 232с. 70. Алексейчук А.А., Грепенюк Е.А., Ицкович Э.Л. Современные АСУП: их выбор для конкретных предприятий // Промышленные АСУ и контроллеры. – 2003. – №6. 71. Антонов В.Н., Скоробогатый А.С., Терехов В.А. Комплексы технических средств АСУ ТП. – Л.: ЛЭТИ, 1984. – 76с. 72. Кунцевич Н.А. Инструментарий для интеграции разнородных подсистем // Мир компьютерной автоматизации. – 2001. – №1.

73. Ицкович Э.Л. Выбор пакета визуализации измерительной информации (SCADA - программы для конкретной системы автоматизации производства) // Приборы и системы управления. – 1996. – №10. 74. Юркевич Е.В., Самолетов В.М. Задачи унификации средств системного применения и ГСП-2 // Унификация и специализация в приборостроении: Сборник. – М.: Информприбор, 1989. 75. Шенброт И.М., Самолетов В.М., Юркевич Е.В. Распределенные системы управления с локальными технологическими станциями (ЛТС): Методика проектирования (на примере применения ЛТС СМ 9107 и Ломиконт). – М.: Научно-промышленный союз, 1991. 76. Сафонов А.Ф. Интеллектуальное здание // СМОТ 21 ВЕКА. – 2004. – №1. – С. 44 – 45. 77. Мартынов А.В. и др. Система децентрализованного теплоснабжения на базе автономного теплоснабжения // СМОТ 21 ВЕКА. – 2003. – №11. – С.33. 78. Будадин О.Н., Троицкий-Марков Т.Е. Технология комплексного теплового неразрушающего контроля зданий и строительных сооружений // СМОТ 21 ВЕКА. – 2004. – №3. – С. 47–50. 79. Макаров Р.А. Методы обнаружения и мониторинга развития трещин в строительных конструкциях // СМОТ 21 ВЕКА. – 2004. – №6. – С. 26–27. 80. Юров М.С. Пароутилизаторы – новое слово в энергоснабжении // СМОТ 21 ВЕКА. – 2004. – №8. – С.38 – 39. 81. Валентинов А.В. Архитектура и безопасность среды обитания человека // СМОТ 21 ВЕКА. – 2003. – №6. – С. 36–37. 82. Современные инженерные системы. Интеллектуальное здание // СМОТ 21 ВЕКА. – 2004. – №3. – С. 38–39. 83. Современные инженерные системы. Интеллектуальное здание // СМОТ 21 ВЕКА. – 2004. – №4. – С. 40–41. 84. Поляков М.И. Автоматические котлы пульсирующего горения // СМОТ 21 ВЕКА. – 2005. – №3. – С. 42–43. 85. Неугодников А.П. и др. Контроль и диагностика параметров строительных сооружений с помощью волоконно-оптических систем мониторинга // Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика. – 2006. – №6. – С. 55 –61. 86. Уголев А.С. и др. Перспективный мониторинг и управление объектами ЖКХ и системами безопасности // СМОТ 21 ВЕКА. – 2004. – №9. – С. 63–64. 87. Меркулов С.И. и др. Мониторинг технического состояния строительных конструкций // СМОТ 21 ВЕКА. – 2004. – №8. – С. 58–59. 88. Рубцов И.В. и др. Практические задачи по организации системы строительного мониторинга // СМОТ 21 ВЕКА. – 2005. – №3. – С. 50–52. 89. Будадин О.Н., Троицкий-Марков Т.Е. и др. Современная теория и технология теплового неразрушающего контроля // СМОТ 21 ВЕКА. – 2005. – №10. – С. 58 – 61. 90. Ермолаев Ю.М. и др. Вихревые гидрокавитационные установки – путь к энергосбережению и повышению качества строительных материалов// СМОТ 21 ВЕКА. – 2003. – №5. – С. 34–35. 91. Козлов В.А. Нейроинформационные технологии на службе безопасности населения // СМОТ 21 ВЕКА. – 2003. – №3. – С. 38–39. 92. Каргапольцев В.П. Тиристорный регулятор как средство экономии энергии в нагревательных системах// СМОТ 21 ВЕКА. – 2004. – №9. – С. 50.

93. Суханов В. и др. Автоматизация зданий: от теории к практике // СТА. – 2005. – №9. – С. 34–38. 94. Рубцов И.В. К вопросу о классификации, определениях и функциональной терминологии в строительном мониторинге. // СМОТ 21 ВЕКА. – 2005. – №6. – С. 56–57. 95. Остроухов А.В. Автоматизация управления строительным предприятием // ПиСУ. – 2004. – №7. –С. 16 –18. 96. Резчиков А.Ф. и др. Модели и алгоритмы постановки задач разработки АСУ промышленными объектами // ПиСУ. – 2006. – №9. – С. 64–67. 97. Долгова Е.В. и др. Нейросетевое управление ресурсами в структурном подразделении предприятия // ПиСУ. – 2006. – №7. – С. 61–66. 98. Цифровой дом, который строит Intel // Мир компьютерной автоматизации. – 2003. – №2. – С. 35–38. 99. Магницкая Л.Н. и др. Вентилируемые фасады – перспективы и проблемы освоения современных технологий // СМОТ 21 ВЕКА. – 2004. – №3. – С.54. 100. Локальные вычислительные сети: Справочник: В 3 кн. Кн.1. Принципы построения, архитектура, коммуникационные средства / Под. ред. С.В.Назарова. – М.: Финансы и статистика, 1994. – 208с. 101. Матвейкин В.Г., Фролов С.В., Шехтман М.Б. Применения SCADA-систем при автоматизации технологических процессов. – М.: Машиностроение, 2000. – 176с. 102. Потапова Т.Б. Информационно-управляющие системы. Эволюция. Проблемы. Решения // Промышленные АСУ и контроллеры. – 2002. – №7. 103. Современные компьютерные сети. / В Столингс. – СПб.: Питер, 2003. – 2-е изд. – 783с. 104. Волков А.А. и др. Технологии CALS в проектировании информационной модели зданий и сооружений // СМОТ 21 ВЕКА. – 2005. – №4. – С.49. 105. Фендриков А. Автоматизированная система контроля и управления промышленными объектами АСК-3 // СТА. – 2004. – №4. – С. 28–34.

Учебное издание Султан Файзрахманович Абдулин

Системы автоматики предприятий стройиндустрии Учебное пособие

*** Редактор И.Г.Кузнецова Компьютерный набор и верстку выполнили С.П. Пономарев, А.В. Красников, Д.Н. Ивашков, А.С. Баранов

Подписано к печати 25.05.2007. Формат 60х90/16.Бумага писчая Оперативный способ печати Гарнитура Times New Roman Ус.п.л. 40,25, уч.-изд.л. 40,25 Тираж 150 экз.Заказ Цена договорная

*** Издательство СибАДИ 644099, г. Омск, ул. П. Некрасова, 10 Отпечатано в «Полиграфическом центре КАН» 644050, г. Омск, пр. Мира, 11а Тел.: (3812), 65-47-31; 65-23-73 Лицензия ПЛД, № 58-47 от 21.04.97 г.