Соснин О.М. Основы автоматизации технологических процессов - файл n1.doc

приобрести
Соснин О.М. Основы автоматизации технологических процессов
скачать (13820 kb.)
Доступные файлы (1):
n1.doc13820kb.16.09.2012 16:02скачать

n1.doc

  1   2   3   4   5   6   7   8   9   ...   13


Министерство образования РФ

Московский государственный открытый университет

Кафедра электропривода и автоматизации

промышленных установок


Соснин О.М.

Основы автоматизации технологических

процессов

Москва 2006

Содержание

Перечень принятых обозначений

Основные понятия и термины

Введение

Контрольные вопросы к введению

Глава 1. Автоматизированные системы управления технологическими процессами

    1. АСУТП как основа автоматизации технологических процессов

    2. Основные функции и структура АСУТП

    3. Структура и основные функции УВМ

Контрольные вопросы к главе 1

Глава 2. Информационное обеспечение АСУТП

2.1. Энтропия как мера информации

2.2. Количественная оценка информации

2.3. Кодирование информации

2.4. Двоичные коды

2.4.1. Экономичность двоичного кодирования

2.4.2. Арифметические двоичные коды

2.4.3. Неарифметические двоичные коды

2.5. Передача информации по каналам связи

2.5.1. Промышленные информационные сети

2.5.2. Последовательные интерфейсы по стандартам RS232C и RS485

2.5.3. Защита информации от искажений

2.6. Организация обмена информацией в АСУТП

2.6.1. Информационная структура АСУТП

2.6.2. Информационные сети Ethernet

2.6.3. Структура физической среды Ethernet

2.6.4. Контроллерные и полевые сети

2.6.5. Диспетчеризация в рамках АСУТП

Контрольные вопросы к главе 2

Глава 3. Моделирование технологических объектов, управляемых АСУТП

    1. Алгоритмы функционирования

    2. Аналитические методы моделирования

    3. Моделирование технологических циклов

    4. Экспериментальные методы получения моделей

3.4.1. Одномерные модели

3.4.2. Многомерные модели

Контрольные вопросы к главе 3

Глава 4. Алгоритмы управления в АСУТП

    1. Задачи управления в АСУТП

    2. Алгоритмы стабилизации управляющих параметров

    3. Алгоритмы автоматической оптимизации

4.3.1. Статическая и динамическая оптимизация

4.3.2. Симплексный метод линейного программирования

4.4. Градиентные методы автоматической оптимизации

4.4.1. Поиск экстремума целевой функции

4.4.2. Автоматическая оптимизация электрохимической обработки

4.4.3. Поиск предельно допустимого оптимального режима

4.5. Применение методов нечеткой логики в АСУТП

4.5.1. Понятия и операции нечеткой логики

4.5.2. Синтез нечеткого регулятора положения

Контрольные вопросы к главе 4

Глава 5. Алгоритмы управления технологическим циклом

    1. Задачи управления технологическим циклом

    2. Синтез алгоритмов комбинационных схем управления

    3. Схемная реализация релейно-контактных комбинационных схем

    4. Схемная реализация комбинационных схем на логических элементах

    5. Синтез алгоритмов последовательностных автоматов

      1. Общая структура последовательностного автомата

      2. Составление схемы простейшего автомата

    6. Реализация алгоритмов управления последовательностных автоматов

      1. Виды запоминающих устройств

      2. Триггеры

      3. Регистры

      4. Преобразователи кодов и арифметические устройства

    7. Обобщенные алгоритмы управления технологическим циклом

Контрольные вопросы к главе 5

Глава 6. Особенности проектирования АСУТП

    1. Основные задачи и принципы проектирования

    2. Этапы разработки и внедрения АСУТП

Контрольные вопросы к главе 6

Глава 7. Системы программного управления производственными установками

    1. . Назначение и общая структура

    2. . Локальные системы программного управления

    3. . Программируемые контролеры

      1. Структура ПЛК

      2. Языки программирования ПЛК

      3. Язык программирования IL

    1. Устройства числового программного управления

    2. Программирование УЧПУ

    3. Исполнительные устройства УЧПУ

Контрольные вопросы к главе 7

Литература

Приложения

Приложение 1. Таблицы кодов обмена информацией в АСУТП

Приложение 2. Базовые понятия теории вероятностей

Приложение 3.Элементы булевой алгебры формальной логики

Приложение 4. Символы и функции стандартного кода ISO-7 для ЧПУ (ГОСТ 20999-83)


Перечень принятых сокращений

АЛУ – арифметико-логическое устройство;

АРМ – автоматизированное рабочее место;

АСТПП – автоматизированная система технологической подготовки производства;

АСУП – автоматизированные системы управления производством (по отраслям);

АСУТП – автоматизированная система управления технологическим процессом;

АЦП – аналого-цифровой преобразователь;

БИС – большие интегральные микросхемы (высокой степени интеграции);

ВЗУ – внешнее запоминающее устройство;

ВУ – внешнее устройство;

ГПМ – гибкий производственный модуль;

ГПС – гибкая производственная система;

ЗУ – запоминающее устройство;

ЛУВМ – локальная УВМ;

МОТИ – модули обработки текущей информации;

МП – микропроцессор;

ОЗУ – оперативное запоминающее устройство;

ПБ – процессорный (системный) блок;

ПЗУ – постоянное запоминающее устройство;

ПИД – пропорционально-интегрально-дифференциальный (регулятор);

ПК – промышленный компьютер;

ПЛК – программируемый логический контроллер;

ПО – программное обеспечение;

ПУ – пульт управления;

САПР – система автоматизированного проектирования;

СПУ – система программного управления;

СУЭП – система управления электроприводом;

ТО – технологический объект;

ТП, или техпроцесс, – технологический процесс;

УВВ – устройства ввода-вывода информации (параллельный или последовательный интерфейсы);

УВМ – управляющая вычислительная машина;

УП – управляющая программа;

УСО – устройство связи с объектом;

УФС – устройство формирования состояний (управляющее устройство);

УЧПУ – устройство ЧПУ;

ЦАП – цифро-аналоговый преобразователь;

ЦУВМ – центральная УВМ;

ЧПУ – числовое программное управление;

ЭВМ – электронная вычислительная машина;

ASCII – American Standard Code for Information Interchange (американский стандартный код для обмена информацией);

CAD – Computer Aided Design (САПР);

CAM – Computer Aided Manufacturing (АСУТП);

Ethernet – наиболее распространенная стандартная сетевая технология для создания локальной информационной сети (Этернет);

IEC – International Electrotechnical Commission (МЭК, Международная электротехническая комиссия);

IEEE – Institute of Electrical and Electronics Engineers (Институт инженеров по электротехнике и электронике), США;

ISO – International Standardization Organization (Международная организация стандартизации).


Основные понятия и термины
Автоматизация технологических процессов состоит в том, что функции контроля и управления, ранее выполнявшиеся человеком, передаются автоматическим управляющим устройствам и контрольно-измерительной аппаратуре. Управляющие устройства, получая информацию по каналам обратной связи о ходе техпроцесса, формируют управляющие сигналы, обеспечивающие функционирование технологического объекта (ТО) в оптимальном рабочем режиме.

1.

АСУТП – это совокупность аппаратных средств и их программного обеспечения, предназначенных для управления сложным ТО. АСУТП обеспечивает оптимальный уровень автоматизации сбора, накопления и переработки информации о техпроцессе и формирование таких управляющих воздействий на исполнительные устройства, что работа ТО происходит в оптимальном режиме.

УВМ – это совокупность управляющих устройств АСУТП, выполненных на базе микропроцессорной техники и составляющих конструктивное целое.

Иерархическая структура АСУТП обусловлена тем, что АСУТП реализует централизованное управление с помощью центральной УВМ (ЦУВМ).Однако ЦУВМ управляет исполнительными устройствами не непосредственно, а через локальные УВМ (ЛУВМ), каждая из которых отвечает за определенный участок техпроцесса ( см рис. 1,1).

УСО – устройства связи с объектом, входящие в состав УВМ, через которые управляющие сигналы УВМ поступают на управляемый ТО. Иногда в состав УСО включают также устройства обратной связи, через которые информация о параметрах ТО передается на УВМ. Наличие УСО является главным отличием УВМ от обычных микро-ЭВМ, решающих чисто вычислительные задачи.

2.

Информация – это процесс формирования, пересылки и регистрации сообщений, а также зарегистрированная совокупность сообщений.

Бит – двоичная единица информации, эталоном которой является информация, получаемая из опыта с двумя равновероятными исходами. Битом называют также минимальный объем записи информации на электронных или магнитных носителях, соответствующий двоичной единице или двоичному нулю.

Двоичный код – любой код, в котором используются только два символа, обозначаемые обычно 0 и 1.

Арифметический двоичный код – это позиционный весовой код, лежащий в основе двоичной системы исчисления. Вес разряда в нем равен 2n, где n – номер разряда.

Коды Грея – двоичные коды, служащие для обозначения чисел, причем обозначения соседних чисел различаются лишь одним кодовым символом.

Параллельная передача информациия – обмен информацией в виде двоичных кодовых комбинаций фиксированной длины, называемых словами.

Последовательная передача информации – обмен информацией побитно, когда биты слова пересылаются один за другим, начиная, например, с младшего бита.

Интерфейс – это совокупность правил обмена информацией между двумя соседними уровнями управления, а также совокупность проводов и иных технических средств, обеспечивающих такой обмен информацией. В настоящее время в АСУТП применяют почти исключительно стандартные интерфейсы.

Совокупность программ, устройств и проводов, которые обеспечивают обмен информацией в АСУТП в целом, называют промышленной информационной сетью.

Локальные сети АСУТП обычно построены по схеме ведущий – ведомый и употребляют интерфейс RS485 (см. рис. 2.4).

3.

Алгоритм функционирования – это математически обоснованное описание зависимости между управляющими (входными) и управляемыми (выходными) параметрами ТО; если он реализован в виде компьютерной программы, то называется моделью ТО.

Декомпозиция алгоритма – это расчленение алгоритма функционирования на отдельные математически однородные элементы, называемые типовыми звеньями. Модель ТО строится в виде совокупности типовых звеньев.

Аналитические методы моделирования базируются на знании законов природы, определяющих функционирование ТО. Аналитическая модель представляет ТО в виде совокупности динамических звеньев.

Динамическое звено описывает элемент ТО, в котором происходит однократное преобразование энергии, дифференциальным уравнением первого или второго порядка.

Многосвязная (многомерная) модель описывает сложный ТО с несколькими входами и выходами и с перекрестными связями между отдельными каналами.

Одномерная модель (канал) соответствует элементу ТО с одним входом и одним выходом.

Технологический цикл отображает циклическую последовательность сменяющих друг друга технологических операций. Для удобства описания технологический цикл делят на такты.

Циклограмма строится в виде таблицы, в строках которой перечислены все командные и исполнительные элементы ТО, а столбцы соответствуют тактам его технологического цикла ( см. рис. 3.1.)

Регрессия выходного параметра у на входной параметр х- это любая функция f(x), приближенно представляющая вероятностную зависимость у от х.

Полнофакторный эксперимент представляет собой цикл из 2m экспериментов, где m- количество факторов, каждый из которых принимает в эксперименте либо максимальное, либо минимальное значение в заданном интервале. Остальные факторы, влияющие на поведение ТО, при этом поддерживаются неизменными.
4.

Алгоритмы управления определяют порядок подачи управляющих воздействий на исполнительные устройства АСУТП. Различают алгоритмы:

-стабилизации параметров техпроцесса при различных возмущениях;

-программного управления технологическим циклом;

автоматической оптимизации техпроцесса в ходе выполнения производственного задания.

Целевая функция – это строго сформулированная зависимость между параметрами техпроцесса и критерием его оптимальности.

Статическая оптимизация предполагает, что параметры оптимального функционирования техпроцесса определяются до его начала.

Динамическая оптимизация – это поиск оптимального режима во время выполнения технологическим объектом заданной производственной программы. При этом шагом оптимизации называют каждую очередную попытку изменения параметров в направлении оптимального режима.

Линейное программирование – это совокупность методов определения параметров оптимального режима в условиях, когда целевая функция и уравнения ограничений, действующих в управляемом техпроцессе, линейны.

Основная задача линейного программирования (см. §4.3.2):

- найти максимум функции Fц=сх

- при условиях Ах?b, х

- или найти минимум функции Fц=-сх

- при условиях -Ах?-b, x?0.

При решении основной задачи линейного программирования симплексным методом уравнения ограничений представляют в виде (4.7).

Процедура симплексного метода основана на следующих положениях:

- совокупность точек в n-мерном пространстве Еn, ограниченная вышеприведенными условиями, образует область решений поставленной задачи; каждую точку х=(х12,…хn) из указанной области принято именовать допустимым планом; точка, в которой достигается искомый экстремум заданной целевой функции, называется оптимальным планом;

- в пространстве Еn область допустимых решений существует в виде многогранника решений , причем оптимальная точка ( оптимальный план) является одной из вершин многогранника решений; любые m линейно независимых векторов aj(j=1,2,…n, m?n), удовлетворяющих системе уравнений (4,7), порождают точку х=(b1,b2,…bm,о,…о), являющуюся вершиной многогранника решений и называемую угловой точкой или опорным планом;

- оптимальная точка( оптимальный план) является одной из угловых, а потому при оптимизации симплексным методом переходят от одной угловой точки к другой таким образом , что при каждом переходе значение целевой функции обязательно увеличивается ( при поиске максимума целевой функции) или обязательно уменьшается (при поиске минимума).

Градиентные методы применяются, если выражение целевой функции или (и) уравнения ограничений техпроцесса являются нелинейными. Сущность градиентных методов заключается в том, что на каждом шаге оптимизации приращения управляющих параметров техпроцесса выбираются пропорциональными частным производным целевой функции по этим параметрам:

хij+1=хij±kji=1,2,…n,

где xij+1- значение i-го параметра на (j+1)-м шаге оптимизации;

xij-значение того же параметра на j-том шаге оптимизации;

kj-коэффициент, определяющий величину шага на j-том шаге оптимизации, называемый также просто шагом;

частная производная целевой функции Fц по i-тому параметру xi, соответствующая j-тому шагу оптимизации;

n- количество оптимизируемых параметров техпроцесса.

Признаком достижения оптимального режима является равенство нулю всех значений .

Удвоение шага - увеличение или уменьшение в 2 раза значения kj без расчета новых значений с целью ускорения поиска оптимального режима и избежания рысканья.

Предельно допустимый оптимальный режим (предельное регулирование) – это оптимальный режим, который реализуется в одной из граничных точек области допустимых значений параметров техпроцесса, когда нужный экстремум целевой функции не может быть достигнут из-за имеющихся технологических ограничений. Типичным примером предельного регулирования является линейное программирование.
5.

Технологический цикл представляет собой циклически повторяющуюся последовательность сменяющих друг друга технологических операций.

Последовательностный автомат – управляющее устройство, обеспечивающее управление технологическим циклом. Такие автоматы обеспечивают управление последовательностью тактов работы ТО, причем выполнение отдельных тактов обычно связано с использованием информации, полученной по каналам обратной связи при выполнении предыдущих тактов .

Внутреннее состояние автомата – состояние элементов ЗУ в его составе.

Комбинационные схемы управления (комбинационные автоматы) – отдельные узлы управляющего устройства, выходные сигналы которых зависят только от комбинации входных сигналов, поступивших в текущем такте управления.

Единичный сигнал – сигнал высокого уровня потенциала, или замыкание контакта, или намагниченный участок магнитного носителя информации.

Нулевой сигнал – сигнал низкого уровня потенциала, или размыкание контакта, или ненамагниченный участок магнитного носителя информации.

Таблица истинности – таблица соответствия входных и выходных сигналов комбинационной схемы управления. По таблицам истинности получают выражения логических функций схем управления

Логическая ( булева) функция Y логических переменныхХ12,…Хnэто выражение

Y=f(X1,X2,…Xn),

полученное путем выполнения над логическими переменными операций инверсии, дизъюнкции и конъюнкции. Логические функции являются алгоритмами управления комбинационных и последовательностных автоматов.

Метод Квайна – Мак-Класки – это регулярная процедура упрощения выражений логических функций путем выполнения над ними операций склеивания и поглощения (см. приложение 3), применяемая для автоматизации составления схем управления.

Метод последовательно-параллельных соединений при составлении релейно-контактных схем управления состоит в следующем:

- логическая инверсия (функция НЕ) реализуется размыкающим контактом реле, а логическое повторение – замыкающим контактом;

- логическое умножение (функция И) реализуется последовательным соединением контактов реле;

- логическое сложение (функция ИЛИ) реализуется параллельным соединением контактов реле.

Для дополнительного упрощения релейно-контактных схем применяются скобочные формы логических функций и мостиковые структуры схемных решений.

Логические элементы – это микросхемы малой степени интеграции, реализующие простейшие логические функции.

Триггер – элемент электронного ЗУ, характеризующийся двумя устойчивыми состояниями. С точки зрения теории информации это двоичный элемент памяти, способный запомнить либо единичный, либо нулевой сигнал, поступивший на его вход. Триггер – это стандартная ячейка ОЗУ, предназначенная для хранения информации не более 1 бит.

Арифметико-логическое устройство (АЛУ) – это комбинационная часть последовательностного автомата, предназначенная для выполнения заданных арифметических и логических операций. Простейшие автоматы выполняют только логические операции.

Устройство формирования состояний (УФС) автомата задает операции, которые должно произвести АЛУ в текущем рабочем такте. Функционирование УФС зависит как от сигналов, формируемых в АЛУ (сигналов обратной связи), так и от содержимого кадра УП ( см.рис.5.8). В простейших автоматах управление от внешней УП не предусмотрено.

Гонка импульсов – это эффект неодновременного формирования выходных сигналов в ответ на одновременное изменение входных сигналов. Гонка импульсов приводит к кратковременному появлению ложных сигналов на выходах управляющего устройства при асинхронном формировании управляющих сигналов.

Асинхронное управление – способ управления, при котором входные сигналы считываются, а выходные сигналы формируются в произвольные моменты времени по мере поступления входных сигналов.

Синхронное управление – способ управления, при котором считывание входных и выдача сформированных выходных сигналов производится в определенные моменты времени, называемые временем обмена информацией. В остальное время, называемое временем счета (когда формируются новые выходные сигналы) считывание входных сигналов и выдача выходных сигналов не производится. Синхронный и асинхронный способы управления сочетаются с помощью операций прерывания, когда прерывается рутинное течение синхронного процесса управления.

Синхронный триггер отличается от асинхронного триггера наличием тактового входа С (ср. рис.5.10 и 5.11), так что изменение состояния синхронного триггера возможно только после поступления синхронизирующего импульса на вход С. Синхронными триггерами являются наиболее важные виды триггеров: D-триггер, Т-триггер и JK-триггер (см. рис. 5.12. и 5.13).

Регистр – электронное устройство памяти, состоящее из группы триггеров, объединенных общим управлением, и предназначенное для записи, хранения и выдачи информации. По своему основному назначению регистры подразделяются на регистры сдвига, регистры хранения и счетные регистры (см. рис. 5.14.-5.16).

Счетчики (счетные регистры) отличаются тем, что помимо функций записи, хранения и выдачи информации выполняют функцию счета поступающих на них импульсов.

Преобразователь кода – комбинационная схема, преобразующая двоичный код входных сигналов в заданный код ее выходных сигналов. В качестве примера укажем на преобразователь кода Грея в двоичный арифметический код (см. §5.4). Преобразователь кода, преобразующий двоичный входной код в единичный код на его выходах, называется дешифратором (см. рис. 5.18. и 5.19).

Сумматор – комбинационная схема, предназначенная для сложения и вычитания (в дополнительном коде) двух чисел, представленных в двоичной системе исчисления (см. рис. 5.20. и 5.21).

Схема алгоритма управления технологическим циклом состоит из прямоугольников и ромбов. Прямоугольники служат для отображения арифметических операций и операций с памятью, а ромбы служат для задания логических условий. Графические элементы схемы алгоритма соединяют стрелками, указывающими точную последовательность выполняемых операций (см. рис. 5.22 и 5.23).
6.

Техническое, программное, и информационное обеспечение – основные задачи проектирования АСУТП.

Техническое обеспечение включает в себя выбор комплекса типовых технических средств, необходимых для реализации заданных функций АСУТП, и проектирование необходимого специального оборудования.

Программное обеспечение подразделяется на системное (операционные системы и системы управления базами данных), инструментальное (системы автоматизированного проектирования и разработки УП) и прикладное (совокупность УП).

Информационное обеспечение – это единая система технологической, технико-экономической и справочной информации, обеспечивающая нормальное функционирование АСУТП.

Этапы разработки АСУТП: разработка технического задания, выполнение технического проекта, создание рабочего проекта, процесс внедрения в производство.
7.

Система программного управления (СПУ) – это АСУТП, которая обеспечивает управление ТО по заранее подготовленной и введенной в УВМ на специальном программоносителе программе, включая программу управления технологическим циклом.

Программируемый логический контроллер (ПЛК) – выпускаемое серийно управляющее устройство, построенное на базе микро-ЭВМ и предназначенное преимущественно для управления технологическим циклом. Имеет модульную конструкцию.

УЧПУ – комплектная система числового программного управления (ЧПУ), построенная на базе компьютера. В УЧПУ величины перемещений рабочих органов и другие параметры техпроцесса задаются в числовой форме.

Гибкая производственная система (ГПС) – наиболее сложный и разветвленный вид СПУ, решающий, помимо задач АСУТП, задачи САПР, АСТПП и текущего планирования. Состоит из ЦУВМ и гибких производственных модулей (ГПМ).

Локальные СПУ – это ПК и УЧПУ, управляющие отдельными ГПМ.

Основные функции локальных СПУ: централизованный контроль, регулирование техпроцесса, включая следящее управление перемещениями, программно-логическое управление технологическим циклом, ввод и отображение информации, включая УП, обмен информацией, диагностика СПУ и основного оборудования.

Основные модули в составе ПЛК: микропроцессорный модуль, интерфейсы связи с ЦУВМ и ЛУВМ, дискретные и аналоговые модули ввода-вывода, программатор, модуль питания и др.

Языки символического кодирования ПЛК строятся в соответствии со стандартом IEC 61131-3 и включают в себя:

- язык «лестничных диаграмм» LD, или язык РКС;

- язык набора инструкций IL, или язык булевых логических формул;

- еще три языка кодирования, более сложных.

Линейная интерполяция – задание и отработка перемещения рабочих органов по прямой между заданными опорными точками.

Круговая интерполяция – задание и отработка перемещения рабочих органов по окружности. Помимо координат начала и конца программируемой дуги, при круговой интерполяции задают также координаты центра окружности, часть которой составляет данная дуга.

Эквидистанта – траектория перемещения инструмента, заданная с учетом габаритов последнего.

Программное обеспечение УЧПУ делится на системное, инструментальное и прикладное. Управляющие программы (УП) создаются с помощью инструментального программного обеспечения, входящего в комплект программного обеспечения УЧПУ, и составляют прикладное программное обеспечение.

ISO-7 – стандартизированный на международном уровне язык программирования УЧПУ. В коде ISO-7 программа строится в виде последовательности кадров, каждый кадр - из последовательности слов. Первый символ каждого слова – латинская буква, а остальные символы являются арабскими цифрами.

Исполнительные устройства УЧПУ подразделяются на устройства с цикловым управлением, обеспечивающим лишь включение и отключение исполнительных механизмов, с позиционным управлением, обеспечивающим позиционирование, т.е. вывод исполнительного механизма в заданную точку и фиксацию его в этой точке. Наиболее сложны исполнительные устройства с контурным управлением, обеспечивающим перемещение исполнительных механизмов по произвольным траекториям с заданной точностью отработки траектории.

Введение

В настоящее время происходит быстрое развитие производства и применения самодействующих машин и аппаратов, увеличение количества производственных процессов, ведущихся по типу безлюдной технологии. Различные автоматические устройства проникают во все сферы человеческой деятельности, включая науку, производство и быт. Для инженера любой специальности стало необходимым ознакомление с теоретическими основами и практическими приложениями автоматизации применительно к его профессиональным интересам. Это особенно важно для инженеров-электриков, специализирующихся в области автоматизированного электропривода, поскольку большая часть их профессиональной деятельности состоит в создании оборудования для автоматизации различных технологических процессов, его наладке и эксплуатации в производственных условиях.

Обычный курс автоматизации технологических процессов строится на базе технологии определенного производства: машиностроительного, металлургического, химического, текстильного и др. В нем много места уделяется частностям, которые весьма существенны для специалистов соответствующих производств, но не так существенны для инженеров, работающих в сфере создания и эксплуатации систем управления технологическим оборудованием. Специалистам по автоматизированному электроприводу важно получить представление об общих задачах, решаемых автоматизацией в современном высокомеханизированном и автоматизированном производстве, о месте электропривода в системах автоматизации. Они должны изучить основы теории автоматизации технологических процессов и научиться решать простые технические задачи, связанные с проектированием, выбором аппаратной части автоматизированных систем, разработкой алгоритмов и программного обеспечения их функционирования в конкретных условиях эксплуатации.

Термин автоматизация относится к весьма широкому классу производственных процессов и других систем организации трудовой и иной деятельности человека, в которых значительный объем операций, относящихся к процессам получения, преобразования, передачи и использования энергии, материалов и особенно информации, передается специализированным техническим устройствам, средствам механизации и управляющим машинам. Автоматизированные процессы, в том числе управление, регулирование и (частично) контроль над ними, протекают автономно, в соответствии с заранее подготовленной и введенной на специальном программоносителе программой, так что не возникает необходимости непосредственного участия человека в их нормальном функционировании. На долю обслуживающего персонала остаются лишь функции общего контроля, а в случае необходимости – ремонта и наладки. Механизация, заключающаяся в замене ручного труда, физических усилий человека машинными операциями, является непременным элементом автоматизации. В отличие от простой механизации автоматизация обязательно включает в себя передачу управляющим машинам операций по управлению и организации автоматизируемого процесса в соответствии с заранее сформулированной и, возможно, уточняемой во время реализации процесса целью. Цели автоматизации многообразны. Они могут включать в себя решение задач повышения производительности и эффективности труда, улучшения качества продукции, оптимизации управления, обеспечения безопасности трудовой деятельности человека, охраны окружающей среды и др.

Цели автоматизации реализуются с помощью автоматизированных систем управления (АСУ), АСУ – это совокупность математических методов, технических средств (основные из них - это компьютеры и др. микропроцессорные устройства), их программного обеспечения и организационных комплексов, обеспечивающих управление и контроль параметров автоматизируемых объектов в соответствии с поставленной целью их автономного функционирования. Среди объектов автоматизации выделяют:

  1. технологические, энергетические, транспортные и другие производственные процессы;

  2. проектирование различных агрегатов и машин, судов, зданий и иных сооружений, производственных комплексов;

  3. организацию, планирование и управление в рамках цеха, предприятия, стройки, войсковой части и др.;

  4. научные и технические исследования, медицинское диагностирование, учет и обработку статистических данных, программирование, бытовую технику, охранные системы и пр.

Из всего перечисленного многообразия автоматизируемых объектов мы будем рассматривать только технологические процессы промышленного производства. При автоматизации последних функции управления и контроля, ранее выполнявшихся человеком, передаются автоматическим управляющим устройствам и контрольно-измерительной аппаратуре. Одновременно совершенствуется механизация отдельных рабочих операций. Управляющие устройства, получая информацию по каналам обратной связи об изменении контролируемых параметров, таких как размеры обрабатываемых изделий, скорость обработки, температура, формируют, в соответствии с заданной программой обработки, управляющие сигналы, обеспечивающие выполнение программы обработки в оптимальном рабочем режиме.

В первой главе рассмотрены общие вопросы автоматизации технологических процессов, основные функции и структура АСУТП. Поскольку управление технологическим процессом становится возможным благодаря информационным процессам, которые формируются параллельно текущему техпроцессу, то во второй главе рассмотрены элементы теории информации применительно к формированию информационных процессов управления. Особое внимание здесь уделено вопросам кодирования информации в двоичных кодах, так как эти коды являются базой функционирования всех современных управляющих устройств. Глава завершается рассмотрением способов организации обмена информацией посредством ее передачи по каналам связи в рамках АСУТП.

Построение АСУТП невозможно без достаточно точного и подробного описания свойств и характеристик управляемого технологического объекта (ТО). Поэтому третья глава посвящена изложению аналитических и экспериментальных методов создания модели ТО, отображающей указанные свойства и характеристики.

Центральное место в учебном пособии занимают главы 4 и 5, посвященные методам анализа и синтеза алгоритмов управления АСУТП. В алгоритмах управления отображаются намечаемые способы решения задач АСУТП по стабилизации и программному управлению параметрами и режимами ТО, обеспечивающее протекание техпроцессов в соответствии с заданным критерием оптимальности. Особое внимание уделено рассмотрению способов оптимизации режимов функционирования ТО с линейными и нелинейными характеристиками и созданию блок-схем алгоритмов управления. Последние являются основой создания управляющих программ в процессе программирования аппаратной части систем автоматизации.

В шестой главе освещены этапы проектирования АСУТП, начиная с выбора необходимых технических средств построения АСУТП, разработки технического задания и кончая рабочим проектированием. В заключение, в седьмой главе, рассмотрены в качестве примера вопросы построения систем автоматизации в машиностроении на базе УЧПУ и программируемых логических контроллеров.

Изучение курса следует проводить последовательно, раздел за разделом, проверяя степень усвоения материала ответами на контрольные вопросы. Работу над пособием следует сочетать с приобретением некоторых практических навыков путем выполнения контрольных заданий с использованием рекомендуемых компьютерных программ.
Контрольные вопросы к введению

  1. Каково значение курса автоматизации в системе подготовки специалистов по автоматизированному электроприводу?

  2. Дайте определение термину автоматизация и обрисуйте роль обслуживающего персонала в автоматизированных системах.

  3. В чем отличие автоматизации от простой механизации?

  4. Каковы цели автоматизации производственных процессов?

  5. Дайте определение АСУ.

  6. Перечислите основные объекты и области автоматизации.

  7. В чем заключается автоматизация технологических процессов?

  8. Какова структура данного учебного пособия?


Глава 1. Автоматизированные системы управления технологическими процессами


    1. АСУТП как основа автоматизации технологических процессов

Общие вопросы автоматизации организации и управления производством решаются на уровне автоматизированных систем управления производством (АСУП) по отраслям. Технологическая подготовка производства по отраслям производится в рамках систем автоматизированного проектирования (САПР) и автоматизированных систем технологической подготовки производства (АСТПП), действующих в соответствии с подготовленной помощью САПР проектной документацией. Непосредственное управление технологическими процессами изготовления запланированной продукции возлагается на автоматизированные системы управления технологическими процессами (АСУТП).

Принято отделять проблемы автоматизации организации и управления производством, решаемые на уровне АСУП, от технико-технологических вопросов автоматизации, решаемых на уровне САПР и АСУТП. Последние образуют единый комплекс автоматизированных производственных систем, обычно называемых гибкими производственными системами (ГПС), которые на международном уровне принято именовать системами CAD-CAM, причем системы CAD объединяют функции САПР и АСТПП. В настоящее время создание ГПС является основной задачей автоматизации по отраслям народного хозяйства.

Системы САПР и АСТПП являются специфическими для каждой отрасли производства, а в структуре АСУТП имеется много общего. Эта общность обусловлена тем, что в АСУТП применяются преимущественно электромеханические исполнительные устройства. Прежде всего, укажем на технологические процессы, связанные с изменением формы исходного материала, такие как обработка резанием, прокатка, бумажное, текстильное производство и др., в которых основными рабочими движениями являются перемещения рабочих органов, осуществляемые с помощью электроприводов. Автоматизированные электромеханические комплексы применяются также при добыче сырья в горной, нефтяной и газовой отраслях, при первичной обработке, хранении и транспортировке зерна и другой продукции сельского хозяйства. Разнообразные автоматизированные транспортные системы, применяемые для перемещения твердых, жидких и газообразных продуктов, такие как электропогрузчики, грузовые подъемники, насосные станции и трубопроводные системы имеют в качестве исполнительных устройств силовые электроприводы, а сервоприводы широко применяются в системах управления. Но и в технологических процессах, связанных с изменением агрегатного и физико-химического состояния исходных материалов, подача сырья на обработку и транспортировка готовой продукции производится с помощью электромеханических или управляемых с помощью электромеханических агрегатов транспортных систем. По перечисленным причинам основное внимание в данном курсе уделено изучению АСУТП с электромеханическими исполнительными устройствами.

Главной задачей АСУТП является повышение эффективности производства путем замены человека-оператора аппаратными средствами, устройствами автоматического управления. С этих позиций определим АСУТП как совокупность аппаратных средств и их программного обеспечения, предназначенных для управления технологическими объектами, которая обеспечивает оптимальный уровень автоматизации сбора, накопления и переработки информации и формирование таких управляющих воздействий на исполнительные устройства, что работа управляемого объекта происходит в оптимальном режиме.

Технологическим объектом (ТО) мы здесь называем совокупность технологического оборудования и реализованного на нем производственного процесса. Что касается критериев оптимальности (эффективности) функционирования технологических объектов, то кроме обычно решаемой задачи достижения наибольшего экономического эффекта укажем на всегда актуальные проблемы охраны здоровья работающих и сохранения окружающей среды. Наибольшая экономическая эффективность достигается оптимальным сочетанием средств САПР и АСУТП с учетом требовании охраны труда и окружающей среды.


    1. Основные функции и структура АСУТП

Основным назначением АСУТП является оптимизация технологических процессов в соответствии с заданным критерием эффективности. При этом предполагается, что автоматизация с помощью АСУТП приведет к повышению эффективности производства в заданном отношении. В противном случае АСУТП просто не применяется. Строго сформулированную зависимость между параметрами технологического процесса (техпроцесса) и критерием его оптимальности называют целевой функцией. Обычно полагают, что оптимальный режим достигнут, если выбранному сочетанию параметров управляемого техпроцесса соответствует минимум (а иногда максимум) целевой функции. Если из-за технологических ограничений заданный экстремум целевой функции не может быть достигнут, то оптимальный режим имеет место при некоторых граничных значениях контролируемых параметров. Во всяком случае, оптимизация техпроцесса с помощью АСУТП сводится к поддержанию оптимального соотношения его параметров. Если это соотношение стабильно и может быть рассчитано или подобрано заранее, то достаточно, чтобы АСУТП стабилизировала значение контролируемых параметров на заданном оптимальном уровне. Обычно к тому же необходимо изменять значения заданных параметров по заранее составленной программе ведения техпроцесса. В наиболее сложных случаях оптимальный ход техпроцесса не может быть определен и задан заранее и тогда поиск оптимального режима работы производится автоматически, самой АСУТП, в течении всего времени техпроцесса. Методика поиска зависит от вида заданной целевой функции и ограничений, накладываемых на значения контролируемых параметров.

В зависимости от имеющихся возможностей достижения оптимального режима, в АСУТП применяются следующие приемы управления технологическими процессами:

Управляющие устройства АСУТП строятся на базе средств микропроцессорной вычислительной техники и являются по существу управляющими вычислительными машинами (УВМ).

Технологические объекты, управляемые АСУТП, - это совокупность сложных электромеханических систем, таких как станки с ЧПУ, робототехнические комплексы, прокатные станы, трубопроводные системы и прочее. Отдельные единицы оборудования, входящие в состав технологического объекта, управляемого АСУТП, имеют автономные системы управления, позволяющие как встраивать данное оборудование в технологический комплекс, так и использовать его автономно. По указанной причине управление в АСУТП организуется по иерархическому принципу. Иерархическое управление является одной из разновидностей централизованного управления. При управлении по иерархическому принципу система управления делится на отдельные уровни, или ранги. Общее управление осуществляется центральной УВМ (ЦУВМ), которая считается УВМ высшего (первого) ранга. Однако ЦУВМ при иерархическом управлении управляет технологическим объектом не непосредственно, а только через промежуточные, локальные УВМ (ЛУВМ). Все ЛУВМ, управляемые непосредственно от ЦУВМ, называются УВМ второго ранга (второго уровня управления). Если имеются ЛУВМ, управляемые не от ЦУВМ, а от УВМ второго ранга, то такие ЛУВМ называются ЛУВМ третьего ранга. По отношению к ним соответствующая УВМ второго ранга оказывается центральной. В результате, при управлении по иерархическому принципу каждая УВМ управляет лишь управляющими устройствами ближайшего низшего ранга, а подчиняется лишь одной из УВМ ближайшего высшего ранга. Исключение составляет самый нижний уровень управления, на котором осуществляется непосредственное управление технологическим объектом, т.е. не управляющими, а исполнительными устройствами.

Для АСУТП типична трехуровневая иерархическая структура, показанная на рис. 1.1. Здесь ЦУВМ, которая является достаточно мощным промышленным компьютером, снабжает управляющими программами N ЛУВМ, а последние управляют исполнительными электроприводами (например, M электроприводов) через их системы управления (СУЭП) или другими исполнительными устройствами.


Локальные УВМ могут строиться на базе компьютеров, программируемых контроллеров и микроконтроллеров в зависимости от сложности решаемых задач управления. В качестве исполнительных устройств могут быть использованы не только электроприводы, но и нагревательные, электрофизические, электрохимические и др. установки. Системы управления исполнительных устройств могут быть построены как на базе микропроцессорных комплектов, так и без них, могут быть как цифровыми, так и аналоговыми. На рис.1.1 показано прохождение лишь прямых управляющих сигналов, а описание каналов обратной связи от технологического объекта к АСУТП здесь опущено и будет дано ниже. Заметим только, что прохождение сигналов обратной связи строится также иерархическому принципу: от исполнительных устройств и агрегатов информация поступает сначала в ЛУВМ по результатам опросов датчиков, установленных на технологическом оборудовании, а ЦУВМ получает необходимую информацию о состоянии технологического объекта в порядке обмена информацией с ЛУВМ (см. §2.6).


    1. Структура и основные функции УВМ

Управляющие устройства могут быть построены на дискретных элементах или выполнены в виде УВМ. Будем считать, что управляющее устройство выполнено на дискретных элементах, если в нем функции управления реализуются без применения процессоров. И напротив, если основные логические и арифметические операции, необходимые для осуществления процесса управления, реализуются с помощью микропроцессорных конструкций, то такое управляющее устройство является УВМ. Коротко говоря, управляющая вычислительная машина (УВМ) – это управляющее устройство, построенное на базе микро-ЭВМ.

Управляющие устройства на дискретных элементах, такие как магнитные пускатели и аналоговые системы управления электроприводами, применяются в АСУТП на нижних уровнях управления, а на верхних уровнях применяются исключительно УВМ (см. рис.1.1). Тем не менее, многие важные функции УВМ, связанные с вводом, выводом, отображением, преобразованием информации, реализуются на дискретных элементах, не входящих в микропроцессорные комплекты, таких как клавиатура, дисплей, магнитные запоминающие диски и дискеты, аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи и пр.

Структура УВМ в составе АСУТП показана на рис.1.2. Конструктивно УВМ выполняется в виде пульта управления ПУ и процессорного (системного) блока ПБ. На рис. 1.2 показано, что УВМ управляет технологическим объектом ТО с параметрами Y посредством управляющих сигналов Х. Пульт управления ПУ является основой рабочего места оператора, осуществляющего контроль работы АСУТП. Через ПУ поступает исходная информация в виде управляющих программ (УП), считываемых с магнитных дисков и дискет внешнего запоминающего устройства (ВЗУ). С помощью клавиатуры ПУ оператор может составлять и корректировать управляющие программы и контролировать ход управляемого технологического процесса, а дисплей ПУ представляет оператору визуальную информацию о ходе процесса и о содержании УП. Наконец с помощью принтера производится распечатка отчетно-справочной информации о выполнении производственных заданий. Обмен информацией в УВМ осуществляется через стандартные устройства ввода-вывода УВВ, состоящие из параллельного и последовательного интерфейсов (портов), причем для связи внутри ПБ обычно используется параллельный интерфейс. Через последовательный интерфейс реализуется связь с отдаленными корреспондентами и, прежде всего, с ЦУВМ, если она есть.



Рис. 1.2. Структура УВМ в составе АСУТП
Информация, поступающая в ПБ с пульта управления или непосредственно от ЦУВМ через УВВ, запоминается в устройствах памяти (ЗУ), состоящих из постоянного (ПЗУ) и оперативного (ОЗУ) запоминающих устройств. В ПЗУ содержится операционная система УВМ, инструментальное программное обеспечение для создания УП, сами УП и общие сведения об управляемом технологическом объекте. В ОЗУ хранятся управляющие программы, находящиеся в работе, и текущая информация о ходе реализуемого технологического процесса, о состоянии технологического оборудования и самой УВМ. Основным устройством, осуществляющим переработку поступающей информации в УВМ и выдачу управляющих сигналов, является центральный процессор (ЦП), состоящий из арифметико-логического (АЛУ) и управляющего (УУ) устройств. АЛУ осуществляет арифметическую и логическую обработку информации с выработкой управляющих сигналов, а УУ определяет, какие арифметико-логические операции и в каком порядке должно реализовать АЛУ в соответствии с заданной программой. Специфическими устройствами, отличающими УВМ от обычных ЭВМ, являются устройства связи с ТО (УСО) и модули обработки технологической информации (МОТИ).

УСО – это модули прямой связи управления. Они преобразуют приходящие с процессора управляющие сигналы, чтобы согласовать их с входными цепями ТО, в то время как МОТИ преобразуют приходящие с ТО сигналы обратной связи (сигналы Y) о параметрах ТО. Если рассматриваемая на рис.1.2 УВМ является для данного ТО центральной, то она управляет входящими в состав ТО локальными УВМ. В таком случае и УСО, и МОТИ, показанные на рис.1.2, состоят из стандартных УВВ, объединяющих все УВМ данной АСУТП в информационную и управляющую локальную сеть. Если же рассматривать УВМ, показанную на рис.1.2, как локальную, то УСО должны обеспечивать согласование управляющих сигналов УВМ со входными цепями различных дискретных цифровых и непрерывных (аналоговых) управляющих устройств нижнего уровня управления, на котором обычно производится управление электроприводами (см.рис.1.1).

Основные функции модулей УСО в составе ЛУВМ таковы:

Что касается МОТИ, то в ЛУВМ они должны совершить обратное преобразование сигналов обратной связи, идущих от управляющих устройств нижнего уровня управления и от технологического оборудования, к виду, приемлемому для системы сигналов, циркулирующих в УВМ. МОТИ производят:

В качестве примеров преобразования выходных сигналов УВМ приведем преобразование дискретного управляющего сигнала уровня до 5 В и до 5 мА тока (но предназначенного для включения контактора переменного тока) в переменное напряжение 110 В с током до 2 А, а также преобразование цифрового сигнала, предназначенного для управления электроприводом, в стандартное задающее напряжение в пределах 0 – 10 В. Примером преобразования сигналов обратной связи может служить преобразование сигналов конечных выключателей, переключающих постоянное напряжение 24 В, в стандартный сигнал УВМ напряжением до 5 В. Таким же примером может быть счет импульсов датчиков перемещения, в результате которого величина перемещения фиксируется в УВМ в виде числа отсчитанных импульсов.

Устройства УСО и МОТИ выполняются в виде модульных конструкций, объединяющих в себе несколько каналов однотипных преобразователей, таких как преобразователи уровней, аналого-цифровые преобразователи и пр. При необходимости такие устройства строятся на базе микропроцессоров, как, например, модули управления сервоприводами.
Контрольные вопросы к главе 1

  1. Каковы основные задачи, решаемые АСУТП? Дайте определение АСУТП.

  2. Что такое целевая функция и какова ее роль в функционировании АСУТП?

  3. Опишите реализацию основных функций АСУТП путем стабилизации параметров.

  4. Опишите реализацию основных функций АСУТП путем программного управления.

  5. Каковы особенности автоматической оптимизации техпроцесса в течение его реализации?

  6. В чем состоит иерархический принцип управления?

  7. Опишите типичную трехуровневую иерархическую структуру АСУТП.

  8. Что такое УВМ? Дайте определение и опишите структуру УВМ в составе АСУТП.

  9. Опишите основное назначение центрального процессора и запоминающих устройств в составе УВМ.

  10. Что такое УСО? Опишите основные функции УСО и МОТИ в составе УВМ. Приведите примеры.



Глава 2. Информационное обеспечение АСУТП


    1. Энтропия как мера информации

Технологический процесс, протекающий под управлением АСУТП, сопровождается информационными процессами, протекающими внутри АСУТП. Информационные процессы включают в себя:

С точки зрения информационных процессов будем рассматривать техпроцесс и управляющие им сигналы как последовательность запланированных (предусмотренных) событий. События – это факты реализуемого производственного процесса. Реализованное событие будем называть исходом. Описание происходящих событий будем называть сообщениями. Все рассматриваемые сообщения будем считать дискретными величинами, начиная с сигналов на включение и отключение какого-либо оборудования и вплоть до показаний стрелочных измерительных приборов, дискретность которых определяется ценой деления шкалы. Соответственно информацией будем называть процесс формирования, пересылки и регистрации (запоминания) сообщений, а также зарегистрированную совокупность сообщений.

Смысл сообщений, содержательная сторона информации, определяется известными закономерностями хода событий. Здесь, однако, нас будет интересовать не смысл, а количественная оценка информации, объем записей, которые необходимо сделать для регистрации сообщений. Последний будет существенно зависеть от совокупности символов, применяемых для записи информации. Такая совокупность обычно имеет вид основания системы исчисления или алфавита. Если в качестве основания используется совокупность n различных символов, а каждое сообщение состоит из H элементов, то с ее помощью можно сформировать не более чем nH различных сообщений об интересующих нас событиях. Тогда величину H можно определить из соотношения

H=logn M, (2.1)

где M – количество возможных вариантов события, сообщения о котором нам необходимо сформировать в зависимости от того, какой вариант состоится. Величину H, равную количеству элементов сообщения и характеризующую минимальный объем сообщения о том, что один из интересующих нас M вариантов изучаемого процесса действительно имел место, принято называть энтропией.

Если при планировании техпроцесса предполагается, что его результат однозначно предопределен, что исход будет однозначным, то в формуле (2.1) полагаем М=1 и получим Н=0. Однако однозначный результат гарантировать невозможно. Исход техпроцесса и даже его простейших операций зависит от множества случайных факторов, действие которых оценивают методами теории вероятности. Так, если все предполагаемые события равновероятны и образуют полную группу (т.е. при каждом повторении изучаемого процесса происходит хотя бы одно из их), то вероятность каждого из этих событий равна

,

и соотношение (2.1) может быть записано в виде

H= - logn P. (2.2)

Здесь величина Н выступает как мера априорной неопределенности любого из исходов изучаемого процесса. Чем меньше вероятность P(чем больше вариантов равновероятных исходов), тем больше энтропия процесса. Таким образом, энтропия может быть использована для оценки степени случайности техпроцесса или какой-либо из технологических операций, как мера неупорядоченности процесса. Обычно изучаемые события не равновероятны, характеризуются вероятностями Pj, и их энтропия рассчитывается по формуле Шеннона:

, (2.3)

– причем необходимо чтобы изучаемые события составляли полную группу, когда .

Величина Н, рассчитанная по формуле (2.3), является математическим ожиданием, т.е. средним значением минимального объема записей; которые необходимо сделать для фиксирования факта реализации одного из М интересующих нас событий. Запишем Pj каждого из этих событий в виде соотношения

,

где , .

Подставив данное соотношение в формулу (2.3), получим

. (2.4)

Если все рассматриваемые события равновероятны, то все =1 и соотношения (2.3) и (2.4) сводятся к соотношению (2.1). В остальных случаях величина Н будет уменьшена на величину

,

т.е. максимальное значение энтропии Н соответствует равной вероятности событий изучаемого процесса. Величина энтропии как минимального объема сообщения используется для оценки количества информации. Поскольку фактическое распределение вероятностей исходов чаще всего неизвестно, то при определении объема запоминающих устройств и пропускной способности каналов связи обычно руководствуются формулой (2.1).


    1. Количественная оценка информации

При введении понятия энтропии мы исходили из количества событий, о которых нам необходимо получить информацию. Таким образом, энтропия характеризует количество информации, получаемой путем исследования интересующего нас процесса, если мы можем получить в свое распоряжение сведения о любом из М интересующих нас событий. Возможен, однако, такой исход исследования (или измерений), когда о некоторых событиях из рассматриваемых М событий сведения фактически не будут получены. Допустим, что до проведения исследований предусматривалась реализация одного из M1 событий, а после проведения исследований выяснилось, что в данном случае могут быть реализованы лишь M2 из предусмотренных ранее M1 событий, но осталось невыясненным, какое именно из этих M2 событий реализовано в действительности. Энтропия исследуемого процесса до проведения исследований могла достигать значения

,

а после проведения исследований уменьшилась до значения, не превышающего

.

В таком случае количество I полученной информации определяется разностью между исходной и конечной энтропиями:

I=H1H2 . (2.5)

Формула (2.5) дает обобщенную количественную оценку информации и соответствует формулировке: количество информации равно убыли энтропии. Величина исчерпывающей информации соответствует H2=0 и равна исходной энтропии.

В качестве примера рассмотрим оценку количества информации, получаемой от аналогового измерительного прибора с длиной рабочей части шкалы, равной L, работающего с погрешностью , заданной в единицах длины прибора.

Полагаем также, что допустимая погрешность в заданной измерительной системе меньше той, какую может обеспечить используемый прибор: ?


точек измерения в пределах рабочей части шкалы, но фактически он может гарантировать только

M2=L/?

точек измерения. Начальная энтропия измерений составляет

,

а энтропия после измерений –

.

Количество информации, получаемой от этого прибора, равно

, (2.6)

т.е. определяется его точностью во всех случаях, когда имеет место ?. При ?=? величина H2 достигает значения H2=0. Это говорит о том, что измерения производятся с заданной точностью. Заданная точность измерений поддерживается и при ?>?, т.е. сохраняется H2=0. Хотя измерительный прибор при ?>? может обеспечить точность измерений больше заданной, это обстоятельство не является определяющим. Ведь величина исчерпывающей информации равна исходной энтропии, на которую сориентирована работа всего измерительного и управляющего комплекса, а точность первичного прибора является лишь одним из многих факторов, определяющих точность измерений. Иными словами, информация будет фиксироваться и преобразовываться в соответствии принятым объемом энтропии, а повышенная точность отдельных звеньев измерительного комплекса не будет учитываться.

Для практических расчетов количества информации по формулам (2.1-2.3) и по формуле (2.5) введем понятие единицы измерения информации. Примем во внимание, что в устройствах хранения, передачи или переработки информации обычно применяются элементы, в которых для записи информации используется только два символа, такие как высокий и низкий потенциалы (в электронных устройствах) или намагниченный и не намагниченный участки магнитных носителей информации. Эти символы обычно обозначают знаками 1 и 0. Использование только двух символов для записи информации соответствует n=2 в формулах (2.1-2.3), и в дальнейших рассуждениях мы так и будем полагать. Тогда окажется, что при исследовании процесса с двумя равновероятными исходами мы получим, в соответствии с формулой (2.1), H1=1(M1=2) и H2=0(M2=1), что дает, в соответствии с формулой (2.5), информацию I=1.

Информацию, которую получают из опыта с двумя равновероятными исходами, используют в качестве эталона (единицы) количества информации в устройствах, в которых запись информации производится с помощью только двух символов. Эту информацию называют битом, или двоичной единицей информации. Согласно формуле (2.3), количество информации, равное одному биту, можно получить и иным путем, из опыта со многими, но не равновероятными исходами. Опыт с двумя равновероятными исходами, (к которому приближается, например, подбрасывание монеты) является лишь эталоном бита. Из определения бита следует, что максимальное количество информации, которая может храниться в электронном триггере или на элементарном намагниченном участке магнитной дискеты, равно одному биту. По тем же причинам номинальная емкость запоминающих устройств (ЗУ), указанная в битах, есть максимальное количество информации, которое может храниться в этих ЗУ при условии, что все события, сообщения о которых зафиксированы в ЗУ, являются равновероятными. Обычно, в ЗУ зафиксированы сообщения о событиях, которые не равновероятны. Ярким примером такого рода сообщений являются сообщения об отсутствии аварийной ситуации. Их вероятность при нормальном ходе технологического процесса значительно выше вероятности поступления сигнала аварии. По указанным причинам фактический объем информации, хранящейся в ЗУ, значительно меньше номинального. Широко используются производные от бита единицы информации: 1 байт = 8 бит, 1 Кбайт =210 байт, 1 Мбайт = 220 байт и др.

Особой единицей информации является слово. Слово – это количество информации, обрабатываемой в данном управляющем устройстве за один цикл работы устройства. Величина слова обычно кратна по отношению к байту: 1 байт, 2 байт, 4 байт. Если необходимо оценить лишь объем записи информации на электронных или магнитных носителях, то битом называют минимальный объем записи, соответствующий двоичной единице или двоичному нулю (элементарная ячейка памяти).


    1. Кодирование информации

Кодированием мы будем называть процесс формирования сообщений о событиях, составляющих управляемый техпроцесс. Процесс кодирования состоит из двух этапов:

– представление информации в дискретной форме (аналогово-цифровое преобразование);

– представление дискретных сигналов в наиболее подходящем для решения задач управления техпроцессом виде (преобразование кодов).

Конкретный способ представления информации как системы соответствия между элементами сообщений и сигналами, их отображающими, называется кодом. Информация всегда представлена в каком-либо коде.

Первоначальный код, в котором информация поступает в управляющее устройство, определяется свойствами источника информации. Последний может быть либо датчиком какого-либо технологического параметра, либо некоторым ЗУ. В ЗУ информация уже представлена в дискретной форме, а сигналы датчика преобразуются в дискретную форму первичным преобразователем, свойства которого могут быть не согласованы с требованиями, предъявляемыми к информации, поступающей в управляющее устройство. Необходимое согласование производится соответствующим преобразователем кода, установленным на выходе первичного преобразователя.

По характеру взаимодействия с первичным преобразователем сигналы датчиков делятся на дискретные и непрерывные (аналоговые). Если первичный преобразователь выделяет в сигнале датчика только два (реже три) уровня, то такой сигнал считается дискретным. Характерными дискретными сигналами являются сигналы о включении или выключении технологического оборудования. Если первичный преобразователь выделяет в сигнале датчика много (три и более) уровней, то такой сигнал считается непрерывным. Характерными непрерывными сигналами являются сигналы, регистрируемые стрелочными или самопишущими измерительными приборами. Если сигнал датчика классифицируется в качестве дискретного, то первичный преобразователь должен произвести лишь необходимое усиление сигнала и его гальваническую развязку с управляющим устройством. Если же сигнал датчика воспринимается в качестве непрерывного, то первичный преобразователь, осуществляющий аналого-цифровое преобразование, должен, помимо всего прочего, обеспечить различение необходимого количества уровней сигнала, т.е. должен иметь достаточную разрешающую способность, соответствующую величине энтропии данного элемента технологического объекта. Так, при использовании стрелочных измерительных приборов разрешающая способность обеспечивается выбором подходящей цены деления шкалы, а при использовании импульсных датчиков перемещения разрешающая способность обеспечивается выбором соответствующей величины перемещения контролируемого механизма между двумя соседними импульсами (цены импульса). Разрешающую способность называют также шагом квантования по уровню (см. рис. 2.1а).

При квантовании по уровню непрерывный сигнал x(t) заменяется ступенчатой функцией ?(x). Значение последней (рис.2.1а) изменяется только после изменения значения x на величину, не меньшую x, которая является шагом квантования и определяет разрешающую способность. При заданной допустимой относительной погрешности величина шага квантования x определяется из соотношения

, (2.7)

где и - максимальное и минимальное значения сигнала в заданном диапазоне его изменения.

Точность измерений зависит не только от разрешающей способности первичного преобразователя, но и от его быстродействия, которое у аналого-цифровых преобразователей (АЦП) определяется частотой отсчета измеряемой величины, т.е. шагом квантования по времени t (см. рис. 2.1б). Если принять шаг t, равным tj-tj-1 (рис. 2.1а), то в промежутке время между tj-1 и tj измеренное значение x будет равно x, а в момент времени t=tj оно скачком увеличится до величины x=xj. Видно, что большой шаг квантования по времени привел к значительному увеличению погрешности. При уменьшении шага квантования по времени точность измерения увеличивается. Чтобы точность измерений соответствовала шагу квантования по уровню x, величина шага квантования по времени t должна быть выбрана исходя из неравенства

. (2.8)
Соотношения (2.7) и (2.8) определяют требования к разрешающей способности и к быстродействию применяемых АЦП.

Отсчет и запоминание измеренной величины х обычно производятся либо в десятичной, либо в двоичной системе исчисления. Тип используемой системы исчисления зависит от примененной системы кодирования. Каждая система кодирования базируется на совокупности четко определенных, специфических сигналов одной физической природы, называемых символами. Полная совокупность символов, на которой базируется система кодирования, составляет ее алфавит. Конечная совокупность символов, входящих в принятую систему кодирования, называется кодовой комбинацией, словом или числом в зависимости от характера формируемого сообщения. Совокупности слов, правил их формирования и сочетания образуют разнообразные языки кодирования. В системах кодирования АСУТП широко применяется такие совокупности символов, как латинский и русский алфавиты, арабские цифры, знаки препинания, знаки математических операций и другие математические символы.

Для представления чисел обычно используются арифметические коды, в которых любое действительное число может быть представлено в виде

, (2.9)

где: n > 1- целое число, основание системы исчисления;

m и l – произвольные числа, причем ml;

aj- целое число, причем

Произведение называют разрядом закодированного числа, причем называют весом разряда, aj - цифрой или цифровым значением разряда, a j – номером разряда. Если m=l, то закодированное число одноразрядное, состоит из одного разряда, а если все aj равны нулю, то Q=0. Все разряды, у которых j < 0 входят в дробную часть закодированного числа, а остальные разряды составляют его целую часть. При записи чисел обычно опускают веса разрядов, а также нули перед первой значащей цифрой целой части числа и после последней значащей цифры дробной части числа, причем дробную часть числа отделяют от целой части запятой или точкой. После этого запись числа принимают более компактный вид:

. (2.10)

В качестве примера рассмотрим запись десятичного числа (n=10), у которого l=-5, m=-4, a-5=9, a-4=3. По формуле (2.9) получим:

,

что в обычной записи составит Q=0,00039.

В управляющих устройствах систем автоматизации наиболее распространена двоичная система исчисления и соответственно для записи числовой информации применяется двоичный арифметический код (n=2). При записи числа в двоичном арифметическом коде используют только две цифры: 0 и 1, так что закодированное число приобретает вид набора нулей и единиц, в котором дробная часть числа отделяется от целой части запятой. В качестве примера рассмотрим запись двоичного числа, у которого m=2, l=-2, по формуле (2.9) получим:

.

Опустив обозначения весов разрядов, получим, в соответствии с формулой (2.10), запись данного числа в традиционном виде: Q=100,01.

Перевод целой части числа из десятичной в двоичную форму записи удобно производить методом деления. По этому методу исходное десятичное число последовательно делится на 2. Остатки от деления образуют двоичное число, причем старший разряд соответствует последнему остатку, а младший – первому. В качестве примера рассмотрим преобразование десятичного числа 25 в соответствующее двоичное число:

25/2=12 (остаток 1) – младший разряд

12/2=6 (остаток 0)

6/2=3 (остаток 0)

3/2=1 (остаток 1)

1/2=0 (остаток 1) – старший разряд

Полученное двоичное число-

Аналогично в двоичную форму переводится методом умножения дробная часть десятичного числа. В случае необходимости различения двоичных и десятичных (Decimal) чисел в конце двоичного числа ставят букву B (Binary).

Широкое применение при проектировании микропроцессорных управляющих устройств нашел шестнадцатеричный (Hexadecimal) арифметический код (n=16, HEXCODE). Для записи числовой информации в этом коде необходимо иметь 16 цифр. Для обозначения первых 10 из них используются арабские цифры, а остальные 6 цифр имеют следующие обозначения: 10-A, 11-B, 12-C, 13-D, 14-E и 15-F. Запись чисел в 16-ричном коде производится, как и в системах исчисления с другими основаниями, в соответствии с формулами (2.9) и (2.10). В качестве примера рассмотрим 16-ричное число, у которого m=2, l=0, и . По формуле (2.9) получим:

.

Запись в 16-ричной форме дает, согласно формуле (2.10), Q=4EA.

От 16-ричного кода нетрудно перейти к двоичному коду. Для этого каждую цифру 16-ричного числа заменяют кодовой комбинацией из 4 двоичных символов, записанной в двоичном арифметическом коде и численно равной заменяемой цифре. Из цифр 16-ричного кода предыдущего примера получим: 4=0100, E=14=1110, A=10=1010. Число Q в целом, записанное в двоичном коде, с учетом отбрасывания нуля, стоящего перед первой значащей цифрой, будет выглядеть как:

Q=10011101010.

Для перехода от двоичной формы записи числа к 16-ричной достаточно разбить двоичное число на группы по 4 символа в каждой, начиная с младшего разряда двоичного числа, с последующей заменой каждых четырех двоичных символов на один 16-ричный, и дополняя при необходимости нулями группу старших разрядов. Так, разбивка предыдущего числа, с последующей заменой четырехсимвольных групп 16-ричными цифрами, дает: Q=0100 1110 1010=4EA.

Простота перехода от двоичной к 16-ричной форме записи чисел и обратно обусловила применение 16-ричного кода для компактной записи двоичных кодовых комбинаций, применяемых в микропроцессорных системах управления.


    1. Двоичные коды
      1. Экономичность двоичного кодирования


Информация, поступающая в УВМ, должна быть преобразована и представлена в двоичном формате, т.е. в виде того или иного двоичного кода.

Двоичным кодом называется любая система кодирования, в которой используются только два символа: 0 и 1. Обработка информации процессором УВМ производится только в двоичных кодах. Это объясняется экономичностью построения управляющих устройств на элементах, имеющих при нормальной эксплуатации только два различных состояния (да-нет, открыто-закрыто, включено-выключено, намагничено - не намагничено, высокий потенциал - низкий потенциал и т.п.). В обобщенном виде одно из указанных состояний обозначается цифрой 0, а другое – цифрой 1. Обоснование данного положения проведем исходя из того, что при обработке числовой информации сложность запоминающих устройств и объем пересылаемых сообщений определяются произведением основания системы исчисления на количество разрядов максимального записываемого или пересылаемого числа. Например, для обеспечения записи в десятичной форме любого из чисел величиной не более 1000 требуется не менее трех десятипозиционных устройств, имеющих в сумме 30 рабочих контактов. В то же время для записи каждого из тех же чисел в двоичной форме требуется не более 10 двухпозиционных устройств (210=1024) с общим количеством рабочим контактов, равным 20. Преимущество двухпозиционных устройств памяти над десятипозиционными в данном случае несомненно. В общем случае максимальное число различных сообщений, каждое из которых можно зафиксировать с помощью m n-позиционных запоминающих устройств (n-основание системы исчисления), равно:

(2.11)

Отсюда становится ясным, что количество разрядов m запоминаемого числа не может превышать (при основании системы исчисления, равном n) величины

,

а сложность запоминающего устройства, пропорциональная произведению nm, определится из соотношения:

. (2.12)

Продифференцировав правую часть соотношения (2.12) по n и приравняв полученную производную нулю, получим уравнение

lnnопт-1=0 ,

из которого определится оптимальное значение , которому соответствует наименьшая сложность запоминающих устройств. Из ближайших к оптимальному значений n=2 и n=3 лучшим является n=2, так как двоичные элементы имеют относительно большую (в расчете на один рабочий контакт) простоту технической реализации по сравнению с трехпозиционными элементами. Проиллюстрируем данное положение на примере схем двухпозиционного (RS-триггер) и трехпозиционного запоминающих устройств, приведенных на рис. 2.2.
Рис. 2.2. Схемы двухпозиционного (а) и трехпозиционного (б) запоминающих устройств
Схемы рис.2.2 построены на элементах ИЛИ-НЕ, выходной сигнал элемента ИЛИ-НЕ равен единице только при наличии нулевых сигналов на всех его входах. Информационные сигналы 0,1 и 2 поступают на входы схем а и б (рис.2.2) в виде единичных импульсов. При поступлении единичного импульса на вход 0 выход 0 устанавливается в единичное состояние, а при поступлении единичного импульса на вход 1 выход 1 устанавливается в единичное состояние. Остальные выходы соответственно переходят в нулевое состояние. Состояние выходов сохраняется до тех пор, пока не поступит единичный импульс на вход, номер которого не совпадет с номером выхода, находящегося к тому времени в единичном состоянии. Одновременная подача единичных сигналов на два или три входа не допускается. На рис. 2.2 видно, что количество связей, необходимых для реализации трехпозиционного устройства (в расчете на один рабочий контакт) более чем в 1.5 раза больше, чем у двухпозиционного.

      1. Арифметические двоичные коды


В предыдущем параграфе был уже рассмотрен двоичный арифметический код, применяющийся для хранения чисел и в вычислениях. Его называют также прямым кодом. При использовании прямого кода знак числа кодируется с помощью специального знакового разряда, принимающего значение 0 для положительных и 1-для отрицательных чисел. Применение прямого кода неудобно тем, что при сложении двух чисел, имеющих разные знаки, операция сложения должна быть заменена операцией вычитания меньшей величины из большей с присвоением результату знака большей величины. Более удобен в вычислительных операциях двоичный дополнительный код, который, также являясь арифметическим, позволяет заменить вычитание на обычное сложение. При формировании дополнительного кода исходят из понятия дополнения. Дополнением целого числа Q называют разность:

, (2.13)

где m- максимальное количество разрядов двоичного числа в данном вычислительном устройстве, включая знаковый разряд. При записи числа Q в дополнительном коде согласно формуле (2.13) значение кодовой комбинации M, отображающий величину Q, если ее интерпретировать как арифметический код без знака, может изменяться от 0 до 2m-1. При этом значения M от 0 до 2m-1-1 рассматривают как положительные числа (в знаковом разряде находится 0), а значения от 2m-1-1 до 2m-1 - как отрицательные числа, модуль которых составляет от 0 до 2m-1-1 (в знаковом разряде находится единица). Правомерность данной интерпретации доказывается тем, что сумма значения Q и его дополнения M, как следует из соотношения (2.13), всегда равна 2m, т.е. единице старшего разряда. Последний не отображается, так как находится за пределами принятой разрядной сетки, а во всех m разрядах нашего кода при суммировании Q и M будут записаны нули. Следовательно, число Q и его дополнение M отображают числа, равные по модулю и противоположные по знаку.

Представив соотношение (2.13) в виде

, (2.13’)

получим простую процедуру формирования дополнения числа Q. Предварительно заметим, что

- это инверсия (обратный код) числа Q, которую получают заменой единиц нулями, а нулей единицами. Следовательно, для получения дополнения необходимо исходное число инвертировать и прибавить к полученной инверсии единицу. Следствия:

- если число Q представлено в дополнительном коде, то его дополнение тоже оказывается представленным в дополнительном коде;

  1. положительные числа записываются в прямом и в дополнительном кодах одинаково;

  2. для изменения знака числа, записанного в дополнительном коде, необходимо это число инвертировать, а затем прибавить к полученной инверсии единицу;

  3. для перевода отрицательного числа, записанного в прямом коде, в дополнительный код и обратно, необходимо инвертировать лишь значащую часть числа и прибавить к полученному результату единицу.

  4. Сложение отрицательных чисел в дополнительном коде производится по тем же правилам, что и сложение положительных чисел. Вычитание производится путем сложения уменьшаемого и дополнительного кода вычитаемого.

Пример 2.1. Сложить числа -(214+1) и 17 при m=16, а затем из полученного результата вычесть 17.

Решение:

1) Запишем -(214+1) и 17 в прямом коде при m=16;

-(214+1)=1100 0000 0000 0001;

17=0000 0000 0001 0001.

2) Перевод заданных чисел в дополнительный код:

-(214+1)=1011 1111 1111 1110+1=1011 1111 1111 1111.

Дополнительный код положительного числа 17 совпадает с его прямым кодом.

3) Сложение-(214+1) и 17:

1011 1111 1111 1111

+

0000 0000 0001 0001

1100 0000 0001 0000

4)Перевод результата в прямой код:

1011 1111 1110 1111+1=1011 1111 1111 0000.

5)Изменение знака числа 17:

-17=1111 1111 1110 1110+1=1111 1111 1110 1111.

6)Заданное вычитание числа 17:

1100 0000 0001 0000

+

1111 1110 1110 1111

1 1011 1111 1111 1111

Поскольку переполнения нет, то перенос из старшего разряда не учитывается. В остальном результат точно совпадает с дополнительным кодом числа -(214+1).

      1.   1   2   3   4   5   6   7   8   9   ...   13


Учебный материал
© nashaucheba.ru
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации