Поиск по сайту:



Проверить аттестат

Мы принимаем Яндекс.Деньги

Смотри также:

Шпора к экзамену Интегрированные системы управления (ИСУ) Конюх - Вопросы к экзамену.

Список вопросов для экзамена по теории вероятности - Вопросы к экзамену.

Примерные ответы на тест по философии - Вопросы к экзамену.

ВОПРОСЫ К ЗАЧЕТУ По курсу БЛОК ЭКОНОМИЧЕСКИХ ДИСЦИПЛИН - Вопросы к экзамену.

Все новинки...

Вопросы к экзамену «Шпора к экзамену Интегрированные системы управления (ИСУ) Конюх»

Где сдавалась работаБФ НГТУ
Файл: 1.26 МБ
Поделиться:

1. Дискретные и непрерывные объекты автоматизации.

Производственный процесс можно представить как систему, преобразующую потоки энергии, материалов и информации (рис. 1.1).
Система преобразует материалы с целью получения наибольшей прибыли от их продажи. Это достигается путем увеличения глубины обработки материалов, экономии энергии, более полного использования информации
С позиции автоматизации различают два типа производства: непрерывное и дискретное. К непрерывным относят производства, в которых требуется регулировать расход, давление, температуру, напряжение, перемещение подвижных элементов и прочие величины во всем диапазоне их изменений. Это разнообразные химические реакторы, процессы приготовления пищевых продуктов, металлургия, снабжение теплом, водой и электроэнергией. К дискретным относят производства с конечным числом состояний переменных, например с включением и отключением клапанов, задвижек, пускателей по сигналам двухпозиционных датчиков.
В непрерывных производствах занято мало людей, поэтому за счет автоматизации можно снизить затраты материалов и энергии или стабилизировать технологический процесс, исключив его зависимость от субъективных факторов. Для управления таким производством требуется согласование динамических характеристик объекта управления и системы автоматического регулирования во всем интервале изменения регулируемых величин.
Автоматизация дискретного производства развита меньше вследствие большого разнообразия изделий и операций, повышенных требований к точности операций. Здесь занято множество рабочих ручного труда. Для дискретного производства может быть огромное число вариантов автоматизации, отличающихся последовательностью операций, затратами и эффективностью. Их сопоставление требует формального описания алгоритмов управления оборудованием и разработки моделей организации производства. В последнее время методы автоматизации дискретного производства все чаще применяют к автоматизации непрерывного производства.

2. Пневматический, гидравлический и электрический приводы механических элементов. Зубчатый и волновой редукторы.

Различают три вида управления движением механического элемента между начальной и конечной точками:
а) цикловое (от начала к концу), при котором не контролируются промежуточные точки траектории движения; б) позиционное (от точки к точке), при котором контролируется прохождение звена через заданные точки на траектории движения; в) контурное (непрерывный путь), при котором контролируется прохождение звена через все точки траектории движения.
Для перемещения механических звеньев используют пневматические, гидравлические или электрические приводы. При цикловом управлении перемещениями элементов используют пневмопривод, отличающийся простотой и надежностью, высоким быстродействием, точным позиционированием по механическим упорам в конце движения, возможностью работы в агрессивных средах, дешевизной. Его недостатки: зависимость скорости перемещения от нагрузки вследствие сжимаемости воздуха, невозможность остановки в промежуточных точках позиционирования, удары звена об упор в конце перемещения, шум при работе.
При позиционном управлении применяют гидропривод дроссельного или объемного управления. Его достоинства: высокое быстродействие при малой инерционности; стабильность скорости при изменении нагрузки благодаря несжимаемости рабочей жидкости; бесступенчатое регулирование скорости; высокий коэффициент усиления мощности; малая масса гидродвигателей. Недостатками гидропривода являются сложность расчета, утечки рабочей жидкости в уплотнениях, зависимость скорости от температуры жидкости.
Для контурного управления удобен электропривод, который вытесняет пневмо - и гидропривод. Электропривод имеет малые габариты, хорошую управляемость и высокую точность отработки траектории. В мехатронике обычно применяют легкоуправляемые электродвигатели постоянного тока, состоящие из ротора и статора. На статоре имеются постоянные магниты или обмотка электромагнитного возбуждения. Электродвигатели переменного тока делят на асинхронные и синхронные. Асинхронные двигатели бывают двухфазными и трехфазными. Скорость двухфазного двигателя регулируется напряжением в обмотке управления, смещенной на 90 градусов относительно обмотки возбуждения. Скорость синхронного двигателя зависит от частоты напряжения питания. Недостаток электродвигателей - высокая скорость, требующая преобразования в медленные перемещения механических звеньев. В качестве устройств снижения скорости применяют шестеренчатые, червячные или волновые редукторы. Шестеренчатые и червячные редукторы недостаточно снижают скорость и имеют большие потери мощности. Для устройств мехатроники с электроприводом изобретен волновой редуктор, состоящий из генератора волн 1 эллиптического сечения и гибкого зубчатого колеса 2, которые устанавливаются внутри жесткого зубчатого колеса 3 (рис.3.7).
Гибкое колесо, будучи связанным с генератором волн, принимает форму эллипса. Поэтому его зубцы полностью входят во впадины между зубцами жесткого колеса 3 в двух точках по главной оси эллипса Оно имеет на несколько зубцов меньше, чем жесткое колесо. Через каждый оборот генератора гибкое колесо поворачивает жесткое колесо на эти несколько зубцов. Если генератор волн соединить с входным валом, а жесткое колесо - с выходным, то обеспечивается очень высокое передаточное отношение. По степени управляемости различают приводы:
1)нерегулируемые, обеспечивающие движение элемента с одной рабочей скоростью; 2)регулируемые, обеспечивающие заданную скорость движения элемента в изменяющейся среде; 3)следящие, обеспечивающие перемещение элемента с заданной точностью при произвольном задающем сигнале;4)адаптивные, автоматически выбирающие оптимальные параметры управления при изменении условий работы.

3. Пять уровней автоматизации производства и их задачи

Структура компьютерно-интегрированного производства состоит из 5 уровней, обменивающихся информацией в режиме реального времени (рис.1):
Рис. 1. Уровни автоматизации компьютерно-интегрированного производства
- I/O (Input / Output) - устройства связи с датчиками и исполнительными устройствами на единицах технологического оборудования, обеспечивающие гальваническую развязку, защиту от дребезга, восстановление формы импульсов и нормализацию, входных (Input) и выходных (Output) сигналов перед вводом в устройство управления и выводом из него;
- Control - распределенные перепрограммируемые устройства управления дискретными и непрерывными процессами, встроенные в единицы технологического оборудования;
- SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition) - обобщенный контроль за ходом производства в целом и приобретение данных для изменения программы выпуска;
- MES (Manufacturing Execution System) - система оперативного контроля исполнения производственных заданий;
- MRP (Manufacturing Resources Planning) - система планирования производства с целью получения наибольшей прибыли.
Уровни I/O и Сontrol обеспечивают управление единицами технологического оборудования. Управление может быть дискретным или непрерывным. К дискретным процессам управления относят процессы, у которых каждый из множества входов и выходов может принимать одно из двух состояний ("да", "нет"). Задача управления заключается в принятии решения по переключению механизма для возникшей совокупности состояний датчиков. К непрерывным процессам управления относят процессы, у которых вход и выход имеют множество состояний. Задача управления заключается в поддержании заданной температуры при случайных изменениях внешней температуры.
Уровень SCADA предназначен для решения задач:
- визуализация хода производства;
- приобретение данных для контроля выполнении задания, оценки себестоимости, суммирования времени работы единицы оборудования, контроля расхода материалов;
- архивация технологических параметров;
- распознавание предаварийных ситуаций;
- формирование рекомендаций диспетчеру для аварии.
На уровне MES данные, полученные с уровня SCADA, используют для оценки себестоимости каждого вида продукции, анализа использования единиц оборудования, перераспределения технологических маршрутов, оптимизации производства, сокращения издержек, планирования ресурсов производства для выполнения нового заказа, перераспределения сырья и комплектующих между участками производства, технического обслуживания в зависимости от времени работы единиц оборудования, повышения качества продукции.
Верхний уровень MRP предназначен для обеспечения прибыльности производства в условиях изменяющегося спроса. Здесь менеджеры анализируют ценовую политику конкурентов и себестоимость собственной продукции, формируют наиболее прибыльную производственную программу, планируют замену оборудования и поставки материалов.
Все уровни компьютерно-интегрированного производства через промышленные шины обмениваются информацией в режиме реального времени.

4. Развитие программоносителей и способов записи программ управления.

Переход от жесткой к программируемой логике управления объектом принципиально изменил устройства автоматики. Вместо устройства управления, изготавливаемого под определенный объект автоматизации, стали применять универсальное устройство управления с программоносителем. Приспособление устройства к управлению объектом осуществляют путем записи соответствующего алгоритма управления в программоноситель. Первыми программоносителями были кулачковые командоаппараты, представляющие собой набор дисков с кулачками, укрепленных на общей оси (рис. 3.8, а). При повороте оси кулачки входили в зону чувствительности датчиков положения, которые переключали исполнительные устройства объекта. Для изменения программы менялся угол поворота диска относительно оси. Затем появились перфокарты (рис. 3.8, б), которые перемещались между источниками и приемниками света.
При попадании на фотоприемники света через пробитые согласно программе управления отверстия в перфокарте формировались команды переключения исполнительных устройств. Одновременно развивались перфоленты, имеющие меньшие габариты и более высокую ёмкость (рис.3.8,в). Следующим шагом стали диодные матрицы. Их программирование сводится к установке диодов на пересечениях горизонтальной и вертикальной шин там, где нужно записать логическую "1" (рис. 3.8,г). Горизонтальные шины соответствуют адресу слова, а вертикальные - кодовой комбинации слова по данному адресу. Число горизонтальных шин равно числу разрядов адреса, а число вертикальных шин - числу разрядов слова. Программоноситель на ферритовых кольцах использует свойство феррита переходить из одного состояния насыщения в другое и сохранять его после отключения питания (рис. 3.8, д). Через кольца пропускают провода вертикальной и горизонтальной шин. Информация записывается путем подачи напряжения на провода по вертикали и по горизонтали. Кольцо переходит в состояние насыщения, которое распознается при управлении объектом. Аналогичный принцип использовался в магнитных лентах. Появление микросхем привело к созданию мультиплексора - программируемого коммутатора каналов с несколькими входами и одним выходом (рис. 3.8,е). Сигналы датчиков подавали на входы А и В. Алгоритм управления задавали настроечным соединением входов мультиплексора, соответствующих тем номерам строк автоматной таблицы, для которых выход Y принимал значения "1" и "0". Последним типом программоносителя, размеры которого зависели от объема программы управления, стала программируемая логическая матрица ПЛМ (рис.3.8, ж). Она состоит из матриц И и ИЛИ. В матрицу И вводят диодные перемычки, формирующие набор состояний входных переменных А, В. В матрице ИЛИ перемычки ставят там, где выходная переменная Y принимает единичное значение.
С появлением перепрограммируемых запоминающих устройств с электрической записью и электрическим или ультрафиолетовым стиранием информации (ПИЗУ) начался нынешний этап развития программоносителей. Сначала набор состояний датчиков определял код адреса в ПИЗУ, по которому записывали код команд на исполнительные устройства (рис.3.8,з). Затем такие программоносители стали применять в программируемых контроллерах с микропроцессорной организацией взаимодействия состояний датчиков и выходных команд.
В последнее время развиваются программоносители в виде быстросменных флэш-дисков. Флэш-диск используют для долговременного хранения сотен мегабайт информации. Он представляет собой электрически стираемое перепрограммируемое устройство на микросхеме памяти по технологии Flash. В отличие от обычных микросхем памяти число циклов стирания и записи превышает 1 миллион. Флэш-диск отличается от винчестера отсутствием подвижных частей, невосприимчивостью к ударам и вибрациям, устойчивой работой при изменении температуры от -40 до +85°С, средним временем наработки на отказ более 100 лет. Флэш-диск весит несколько граммов, бесшумен и в режимах чтения/записи потребляет мощность до 200 мВт. Скорость записи и считывания составляет 1-5 Мбайт/с. Флэш-диски емкостью 2-200 Мбайт, которые выполнены в виде печатных плат и могут устанавливаться в слоты материнской платы компьютера, называют фиксированными. На них часто реализуют системные диски компьютеров повышенной надежности с высокой скоростью загрузки. Некоторые флэш-диски размещают в корпусах для микросхем ПЗУ и ставят в гнезда материнской платы. Флэш-диски, которые применяют для хранения и переноса информации в мобильных устройствах, называют сменными. Они выполнены в виде карточки толщиной от 1,5 до 10 мм, которые могут устанавливаться в разъем без отключения напряжения.
Первые флэш-диски применяли для замены микросхем ПЗУ. По мере роста скорости обмена информацией их начинают применять как встроенные контроллеры бытовых устройств и заменители жестких дисков в персональных компьютерах.
Высокая надежность и низкая стоимость флэш-дисков позволяют использовать их в качестве программоносителей емкостью до десятков мегабайт внутри кассовых аппаратов, мобильных компьютеров, станков с ЧПУ, цифровых фотоаппаратов, радиотелефонов. Например, на флэш-диске емкостью 2 Мб для сотового телефона может быть записан телефонный справочник большого города или 30 мин разговора.

5. Модель объекта и модель управления.

модель объекта
Главной задачей специалиста по автоматизации непрерывного производства является построение статических и динамических характеристик объекта регулирования в виде передаточных функций. Структура и параметры передаточной функции могут быть получены с помощью аналитического или экспериментального методов идентификации объектов управления.
Аналитический метод основан на описании поведения объекта дифференциальными уравнениями. В них выделяют входные и выходные переменные, между которыми устанавливают аналитическую связь, получают ее изображение по Лапласу и строят модель объекта как соединение типовых динамических звеньев. Часто объекты управления настолько сложны, что не удается составить дифференциальные уравнения и определить коэффициенты в уравнениях. Поэтому в последнее время развиваются экспериментальные методы, позволяющие построить передаточную функцию реального объекта по его реакции на внешние воздействия. Экспериментальные методы делят на активные и пассивные.
Активные методы основаны на приложении к одному входу объекта типового воздействия с одновременной фиксацией изменений выходов. При этом состояние остальных входов не должно изменяться. Активные методы применяют для простых объектов с управляемыми входами, допускающими по технологическим условиям ввод воздействий, реакция на которые в 5-10 раз больше уровня помехи на выходе. Воздействие может быть ступенчатым, линейно изменяющимся, импульсным или синусоидальным
В пассивных методах идентификации записывают изменения входов и выходов при нормальной эксплуатации объекта. Модель объекта строят по отношению спектральной и взаимной спектральной плотностей входной и выходной величин. Такие методы применяют для стохастических объектов управления с неуправляемыми входами. Пассивные методы требуют длительных наблюдений и сложной статистической обработки. Записывая изменения скорости тележки при ее движении по неровной поверхности, можно получить передаточную функцию движителя тележки по путевым возмущениям. Подбор системы автоматического регулирования для реального объекта осуществляют по критериям заданного качества переходных процессов и устойчивости регулирования. Для этого используют известные методы теории автоматического регулирования.
Модель управления:
При автоматическом управлении управляющее устройство УУ перерабатывает сигналы а1,а2,...,аn от n входных датчиков в команды z1,z2,...,zr управления r исполнительными устройствами (рис.1.7). Обычно аi и zj могут принимать два значения (0 и 1, включить и отключить, да и нет). В этом случае устройство управления называют логическим. Для его синтеза применяют теорию конечных автоматов.
Если выход зависит только от входа, то конечный автомат называют комбинационным. Если выход зависит не только от входа, но и от внутреннего состояния qj устройства перед изменением входа, то автомат называют последовательностным.
Алгоритм работы управляющего логического устройства отображает связь выходов с входами и задается на автоматном языке. Простейшим автоматным языком являются автоматные таблицы. Для комбинационного автомата в левой части таблицы указывают все комбинации состояний датчиков, а в правой - соответствующие им команды управления исполнительными устройствами.
Новым способом задания алгоритмов управления является язык секвенций, формализующий простые условия управления "если ?, то ?", заданные технологом. Эти условия записывают в виде секвенций:
Если Y=l, то ?=1, а если Y=0, то значение ? не определено. Описание алгоритма управления на языке секвенций позволяет сократить число строк автоматных таблиц до реально возможных по технологическим условиям.
В отличие от традиционных автоматных языков секвенциальное описание процесса управления не требует перечисления всех комбинаций состояний признаков, будучи тесно связано с технологией процесса и аппаратурной реализацией. Но применение языка секвенций ограничено конечными автоматами с элементами распределенной памяти. К таким элементам относятся
исполнительные устройства, которые сохраняют свое положение после отключения команды: пневмопереключатели и пневмогидроцилиндры с двумя состояниями, задвижки.
Конечно, для недоопределенных конечных автоматов, заданных секвенциями, существует опасность появления непредвиденных ситуаций в условиях эксплуатации. В этом случае описание дополняют новыми секвенциями или вводят устройства противоаварийного распознавания ситуаций.

6. Устройство и работа программируемого контроллера.

Программируемый контроллер представляет собой микропроцессорное управляющее устройство, входы которого связаны с датчиками, а выходы - с исполнительными устройствами объекта управления. Контроллер изготавливают универсальным и приспосабливают к управлению конкретным объектом управления путём записи и хранения алгоритма управления в запоминающем устройстве. Сначала программируемые контроллеры создавали для замены громоздких и ненадежных релейно-контактных систем управления. Первый программируемый контроллер установили в 1969 г. на автоматизированном конвейере автозавода в США. Его назвали "Модикон" (Modular Digital Controller - модульный цифровой контроллер)
Как и персональный компьютер, программируемый контроллер содержит микропроцессор, оперативное и постоянное запоминающее устройства, предназначенные для обработки информации по заданной программе. Он встраивается в объект управления и не имеет монитора, клавиатуры, устройств для чтения информации с дисков. Имеются и другие отличия контроллера от персонального компьютера
Отличия программируемого контроллера от персонального компьютера
Эти отличия вытекают из того, что программируемый контроллер предназначен для управления промышленным объектом в реальном времени. Поэтому он должен иметь развитые устройства преобразования входных и выходных сигналов, доступное технологу программирование, удобство диагностики и контроля, повышенную надёжность. Программируемый контроллер может быть трёх типов:
1) логический контроллер для замены релейно-контактной логики при управлении дискретными процессами; 2) регулирующий контроллер для управления непрерывными процессами; 3) универсальный контроллер для дискретных и непрерывных процессов.
Первые два типа со временем объединились в третий, имеющий как логические, так и аналоговые входы и выходы для управления дискретными и непрерывными процессами. Программируемый контроллер содержит модули входных (Вход) и выходных (Выход) сигналов, центральный процессор (ЦП), оперативное (ОЗУ) и перепрограммируемое постоянное (ПИЗУ) запоминающие устройства
Работа внутренних устройств синхронизируется тактовым генератором (ТГ). Программу управления записывают в ППЗУ с помощью программатора, в качестве которого можно применять либо персональный компьютер со специальным программным обеспечением, либо специализированное устройство с дисплеем. Программа сообщает процессору, какие операции, когда и с какими сигналами он должен выполнять. Команда управления процессором содержит код операции и адрес операнда. Код операции указывает, что надо делать. Адрес операнда показывает, с чем надо выполнить операцию.
В отличие от релейно-контактных систем с параллельной обработкой входной информации контроллер опрашивает входы последовательно, а затем формирует на выходе команды управления объектом. Однако цикл последовательного опроса осуществляется во много раз быстрее изменений в объекте управления. Около половины стоимости контроллера приходится на устройства входа и выхода. Один и тот же контроллер может применяться для тысяч разновидностей датчиков и исполнительных устройств. Для их подключения к контроллеру присоединяют разнообразные модули преобразования разных сигналов во внутренние сигналы контроллера.

7. Методы идентификации объектов управления.

Главной задачей специалиста по автоматизации непрерывного производства является построение статических и динамических характеристик объекта регулирования в виде передаточных функций. Структура и параметры передаточной функции могут быть получены с помощью аналитического или экспериментального методов идентификации объектов управления.
Аналитический метод основан на описании поведения объекта дифференциальными уравнениями. В них выделяют входные и выходные переменные, между которыми устанавливают аналитическую связь, получают ее изображение по Лапласу и строят модель объекта как соединение типовых динамических звеньев. Часто объекты управления настолько сложны, что не удается составить дифференциальные уравнения и определить коэффициенты в уравнениях. Поэтому в последнее время развиваются экспериментальные методы, позволяющие построить передаточную функцию реального объекта по его реакции на внешние воздействия. Экспериментальные методы делят на активные и пассивные.
Активные методы основаны на приложении к одному входу объекта типового воздействия с одновременной фиксацией изменений выходов. При этом состояние остальных входов не должно изменяться. Активные методы применяют для простых объектов с управляемыми входами, допускающими по технологическим условиям ввод воздействий, реакция на которые в 5-10 раз больше уровня помехи на выходе. Воздействие может быть ступенчатым, линейно изменяющимся, импульсным или синусоидальным
В пассивных методах идентификации записывают изменения входов и выходов при нормальной эксплуатации объекта. Модель объекта строят по отношению спектральной и взаимной спектральной плотностей входной и выходной величин. Такие методы применяют для стохастических объектов управления с неуправляемыми входами. Пассивные методы требуют длительных наблюдений и сложной статистической обработки. Записывая изменения скорости тележки при ее движении по неровной поверхности, можно получить передаточную функцию движителя тележки по путевым возмущениям. Подбор системы автоматического регулирования для реального объекта осуществляют по критериям заданного качества переходных процессов и устойчивости регулирования. Для этого используют известные методы теории автоматического регулирования.

8. Промышленные компьютеры, их конструктивные и функциональные отличия от персональных компьютеров.

Промышленные компьютеры предназначены для автоматического управления технологическим оборудованием при неблагоприятных воздействиях среды: запыленности, влажности, вибрациях, грязи, ударах, колебаниях энергии и окружающей температуры. Примененные в них конструктивные решения обеспечивают повышенную устойчивость к промышленной среде. В отличие от персонального компьютера промышленный компьютер не имеет материнской платы с процессором, в которую вставляют модули. Процессорный модуль, как и остальные модули, вставляют в общую плату с количеством гнёзд до 20. Это позволяет быстро заменять модули, поскольку простои технологического оборудования во время ремонта устройств автоматики приносят большие убытки. Предусмотрена установка разнообразных плат связи с датчиками и исполнительными устройствами. Для защиты от пыли в системном блоке создают избыточное давление с помощью вентиляторов. Воздух всасывается через сменные фильтры. Шасси, корпус и платы расширения защищают от вибрации амортизирующими подвесками. В клавиатуре предусматривают защиту от пыли и влажности с помощью плёночной технологии. Для мониторов применяют сенсорные экраны. Часто промышленные компьютеры вместе с монитором и клавиатурой встраивают в вертикальную панель прямо на рабочем месте. Технические решения, ориентированные на экстремальные условия эксплуатации, приводят к увеличению стоимости промышленных компьютеров в два-три раза по сравнению с персональными компьютерами такого же класса. Однако для многих практических задач автоматизации достаточно весьма ограниченных характеристик промышленных компьютеров.
Кроме конструктивных особенностей, промышленные компьютеры отличаются от персональных рядом функциональных свойств. Они должны управлять объектом в режиме реального времени, поэтому цикл управления не должен превышать интервала между изменениями параметров объекта. В компьютер встраивают развитые устройства связи с датчиками и исполнительными устройствами объекта управления. Обычное для персонального компьютера зависание может привести к катастрофическим последствиям для оборудования, управляемого промышленным компьютером. Поэтому в промышленный компьютер вводят сторожевой таймер, автоматически перезагружающий компьютер при остановке программы. Для сокращения убытков от простоев производства при отказе автоматики введены многократное резервирование, защитные блокировки и автоматическая диагностика отказов. Предусмотрены программы и устройства связи с промышленными шинами верхнего и нижнего уровней.

9. Три типа технологической среды. Cвязь методов управления с типами среды.

В зависимости от числа n датчиков, воспринимающих внешнюю обстановку и состояние объекта, технологическая среда может быть полностью определенной, организованной или неорганизованной (рис. 1.2).
В полностью определенной среде управление задано для всех комбинаций признаков среды.
В организованной среде некоторые из ситуаций невозможны по технологическим условиям, поэтому можно задать управление только для подмножества возможных ситуаций, считая, что остальные ситуации никогда не возникнут (за исключением отказов датчиков). В этом случае множество комбинаций признаков среды разбивают на подмножества возможных S1 и невозможных S2= ситуаций (рис. 1.2,6). Перечислить возможные ситуации S1 и задать для них управление можно, если число признаков ситуаций не превышает 5-6. К такому типу относится управление стационарными установками и адаптивными роботами.
В неорганизованной среде из-за большого числа признаков среды не удается полностью перечислить множество возможных ситуаций S1. Это называют "проклятием размерности", когда ввод каждого q-значного признака увеличивает число ситуаций в q раз. Знания о среде приходится формировать путем обучения распознаванию образов. Наблюдая некоторое время за процессом, составляют обучающую выборку из части возможных ситуаций (рис. 1.2,в). Затем отыскивают решающие функции, делящие обучающую выборку S11 на подмножества по числу решений. Эти функции используют для распознавания новых ситуаций из , не встречавшихся в обучающей выборке S11. Конечно, новая ситуация из S21 распознается с некоторой вероятностью ошибки, зависящей от объема обучающей выборки и правильности построения решающих правил. Для работы в таких средах необходимо управление с элементами искусственного интеллекта. В процессе обучения формируют набор признаков среды, необходимый и достаточный для распознавания всех ситуаций из S1.

10. Методы программирования управляющих устройств. Пять типов числового программного управления.

В 1998 году Международная электротехническая комиссия МЭК ввела стандарт программирования управляющих систем IEC 61131-3, включающий пять языков: два вербальных, два графических и один комбинированный (рис.3.14).
К вербальным или текстовым языкам относятся список инструкций (IL) и структурированный текст (ST). В группу графических языков входят функционально- блочные диаграммы (FBD) и лестничные диаграммы (LD). К обеим группам относятся диаграммы последовательных функций (SFC).
1. Список инструкций (IL - Instruction List) представляет собой текстовый язык типа Ассемблера, близкий к внутренним командам контроллера. Программу записывают по строкам, каждая из которых является инструкцией для контроллера. Инструкция начинается с оператора LD (записать отмеченный операнд и установить равный ему текущий результат) и содержит операторы: ST (присоединить текущий результат к отмеченному), R (установить булев операнд равным 1, если текущий результат равен 1), AND (логическое "И"), OR (логическое "ИЛИ"), XOR (исключающее "ИЛИ"), ADD (дополнение), SUB (вычитание), MUL (умножение), DIV (деление), GT, GE, EQ, NE, LE, LT (разные виды сравнения), JMP (перейти к метке).
После оператора в инструкции записывают операнды или переменные: %1Х, %ОХ (булев вход/выход); %ГВ, %ОВ (кодовый вход/выход); %IW, %OW (целочисленный вход/выход); %ID, %OD (реальный вход/выход). После операнда может следовать комментарий технолога ("нагрев закончен", "нормально открытый контакт" и др.). На языке списка инструкций можно записывать извлечение корня, взятие логарифма и подобные им операции.
2. Структурированный текст (ST - Structured Text) является высокоуровневым текстовым языком программирования типа Pascal с широкими возможностями структуризации. Он описывает последовательность состояний, каждое из которых вводится несколькими линиями или набором состояний в одной линии. Применяют следующие виды состояний: назначение, вызов функции, вызов функционального блока, разветвление (IF - если, CASE - в случае), циклы (FOR - для, WHILE -пока, REPEAT -повторить, EXIT - выйти
3. Функционально-блочная диаграмма (FBD - Function Block Diagram) представляет работу контроллера в виде элементарных функциональных блоков, которые соединяют связями или текущими параметрами. Порядок работы блоков определяется потоком данных через контроллер. Каждая часть контроллера может иметь любое число блоков, входов и выходов. Функциональный блок может быть трех видов: элементарная функция (блок), порядок исполнения, назначение и исполнение.
Элементарная функция - это преобразователь с входами и выходами, не имеющий внутреннего состояния. Внутри преобразователя указывают вид функции, вверху - номер преобразователя. Элементарный блок имеет внутреннее состояние. Внутри блока указывают его тип, вверху - номер секции, затем номер объекта в секции. Порядок исполнения задаёт размещение элементарных блоков. Назначение и исполнение описывают включение или отключение отдельных порядков исполнения по командам в программе по принципу "не работающий сейчас блок не участвует в программе".
4. Лестничная диаграмма (LD - Ladder Diagram) развивает известный язык лестничной логики. Она состоит из правой и левой шин питания, контактов, обмоток реле, функциональных блоков, горизонтальных и вертикальных линий.
В лестничной диаграмме могут быть 4 вида контактов (нормально открытый, нормально закрытый, с памятью на включение, с памятью на отключение) и 6 видов обмоток (простая, инверсная, с сохранением включенного или отключенного состояния, с памятью единичного или нулевого предыдущего сигнала). Лестничная диаграмма может также содержать функциональные блоки, формирующие выход согласно своей функции или цепи подключённых к ним контактов
5. Диаграмма последовательных функций (SFC - Sequential Function Chart) задаёт последовательность шагов программы в соответствии с шагами управляемого процесса. Диаграмма последовательных функций связывает технолога с разработчиком контроллера. Она обеспечивает отображение, которое ориентировано на процесс, и включает две составляющие:
- последовательность исполнения (линейная, с разветвлением, с переходом, с петлёй);
- выполняемые действия (незакрывающие, закрывающие, с временной задержкой, с ограничением времени, пульсирующие и т.д.).
Диаграмма последовательных функций содержит:
- шаги, показывающие состояние управления процессом;
- переходы, показывающие завершение операции;
- условные переходы, показывающие выполнение некоторого условия и разрешающие следующий шаг;
- механические связи, соединяющие шаги и переходы;
- альтернативные ответвления, удовлетворяющие логическому "ИЛИ";
- параллельные ответвления, показывающие одновременное выполнение операций;
- пропуски шагов, петли и действия.
Диаграммы последовательных функций SFC применяют для структуризации процесса, в то время как другие языки отображают реализацию переходов и шагов. Графические языки (функционально - блочные диаграммы FBD и лестничные диаграммы LD) не позволяют вводить обходы и условия непосредственно. Кроме того, лестничные диаграммы ориентированы на описание дискретных процессов. Текстовые языки (список инструкций IL и структурированный текст ST) не предусматривают ввод состояний на входах и выходах. В отличие от списка инструкций структурированный текст не позволяет вводить обходы позиций, в то время как список инструкций не предусматривает петлевых операций с операторами типа "для", "пока", "повторить".

11. Формализация алгоритма логического управления объектом на языке автоматных таблиц.

Для синтеза устройств управления применяют теорию конечных автоматов. Если выход УУ зависит только от входа, то конечный автомат называют комбинационным. Если выход зависит не только от входа, но и от внутреннего состояния qj устройства перед изменением входа, то автомат называют последовательностным.
Простейшим автоматным языком являются автоматные таблицы. Для комбинационного автомата в левой части таблицы (пример нарисуй сам!) указывают все комбинации состояний датчиков, а в правой - соответствующие им команды управления исполнительными устройствами.
При составлении автоматной таблицы необходимо перебрать все, даже неиспользуемые, входы для того, чтобы правильно задать алгоритм управления. Если выходные сигналы зависят также от предыдущих комбинаций входных сигналов, то необходимо составить две таблицы: таблицу переходов из одного внутреннего состояния в другое (табл. 1.2) и таблицу выходов (табл. 1.3)
В левой части таблицы переходов (табл. 1.2) записывают начальные состояния, а в правой - новые состояния, в которые переходит устройство при подаче некоторого входа. В левой части таблицы выходов (табл. 1.3) записывают состояния устройства, а в правой - выходы устройства при подаче некоторого входа.
Автоматные таблицы составляет специалист по автоматике в результате диалога с технологом. Затем строки таблиц преобразуют в логические функции, по которым после операций сокращения и минимизации разрабатывают устройство логического управления объектом.
Автоматный граф - вершины соответствуют внутренним состояниям, а дуги - входам и выходам (в скобках). Автоматный граф нагляден и позволяет оценить неполноту (проявляется в том, что для некоторых входов не указаны дуги переходов) или противоречивость в описании управляющего устройства (обнаруживается по наличию вершин, из которых при одном и том же входе дуги ведут к разным вершинам).
Ввод каждого дополнительного датчика вдвое увеличивает число строк. Чтобы избавиться от так называемого проклятия размерности, пытаются объединить некоторые датчики. Многие из входов принципиально невозможны, например одновременное появление сигналов движения вперед и назад. Однако они все равно должны быть введены в таблицу, чтобы можно было использовать теорию полностью определенных конечных автоматов.
Недостатком автоматных таблиц и графов является их слабая связь с логикой управления и управляющим устройством. Уже при 5-6 признаках метод автоматных таблиц малоэффективен из-за трудоемкого перебора и анализа всех ситуаций, громоздкости автоматных таблиц, необходимости детального изучения технологического процесса.

12. Сеть контроллеров и их дистанционное программирование.

Соединение контроллеров в распределенную сеть управления, в которой присоединен персональный компьютер, позволяет реализовать дистанционное программирование любого удаленного контроллера.
Процесс дистанционного программирования на языке FBD состоит из этапов:
- выбор функциональных блоков из встроенной библиотеки и их размещение на экране;
- соединение входов и выходов блоков;
- конфигурация входов и выходов контроллера по условиям технологического процесса;
- проверка программы на встроенном имитаторе контроллера;
- корректировка алгоритма;
- пересылка программы к выбранному контроллеру.
Распространенный инструментальный пакет UltraLogic предназначен для программирования логических контроллеров, обеспечивающих сбор данных и управление технологическими процессами. В нем используется стандартный язык функциональных блочных диаграмм (FBD). Пакет состоит из системы программирования на персональном компьютере и системы исполнения на программируемых контроллерах. В UltraLogic входят: библиотека модулей ввода/вывода контроллеров, библиотека алгоритмов сбора данных и управления, средства выхода в сети Archnet, Ethernet, RS-485, отладчик-осциллограф. UltraLogic использует взаимодействие ведущих и ведомых устройств управления через сеть с протоколом RS-485 с числом узлов до 255 (рис. 3.22).
Устройства визуализации отображают управление исполнительными устройствами, осуществляемое с помощью контроллеров. Они присоединены к сети через преобразователи протоколов RS-485/RS-232 и могут отображать текущие данные с любых устройств. Создание программы осуществляется в семь этапов.
1. Заполнение таблиц переменных величин.
Переменные делят на 4 вида:
- константа - устанавливается один раз;
- входная - привязана к входу контр-ра;
- выходная - привязана к выходу к-ра;
- сетевая - передаётся другим контроллерам или на верхний уровень.
Через эти переменные выполняются команды: включить/выключить, принять сигнал датчика, передать информацию на верхний уровень и т.п.
2. Конфигурирование контроллера.
Осуществляется подобно заполнению анкеты. В появляющихся окнах пользователь отмечает то, что ему требуется от контроллера: тип модуля, наличие локальной сети и сторожевого таймера, номенклатуру модулей входа/выхода
3. Привязка переменных к входам и выходам контроллера.
Проектировщик присваивает имена переменных входам и выходам контроллера.
4. Разработка алгоритмов управления.
С помощью графического редактора пользователь вызывает из библиотеки и соединяет между собой функциональные блоки на языке FBD из IEC 61131-3. Предусмотрено отображение последовательности работы функциональных блоков в виде иерархического дерева.
5. Компиляция проекта.
Кнопкой на панели инструментов запускают компилятор, который преобразует соединение функциональных блоков в объектный файл. Одновременно компилятор проверяет наличие ошибок в написанной программе.
6. Отладка программы
Система имитирует работу контроллера в пошаговом и непрерывном режимах. Режим используется для первоначальной отладки алгоритма или обучения без реального объекта. Объект заменяется его моделью в виде программы. Модель принимает сигналы управления и имитирует поведение объекта.
7.Загрузка программы в контроллер.
Если контроллеры соединены в сеть, подключенную к компьютеру, то включается режим удалённой загрузки программ.

13. Этапы развития автоматизации и устройств управления. Аппаратное и программное устройства управления.

Различают три ступени автоматизации:
1. автоматизация рабочего цикла, создание автоматов и полуавтоматов;
2. автоматизация системы машин;
3. компьютерно-интегрированное производство.
Автомат - машина, выполняющая кроме рабочих движений еще и холостые во всех рабочих циклах.
Полуавтомат - машина с автоматическим рабочим циклом, для повторения которого нужно вмешательство человека. Систему автоматов, расположенных в порядке следования технологических операций, называют автоматической линией.
Компьютерно-интегрированное производство обеспечивает автоматизацию всего производства: от поставки материалов до упаковки готовой продукции.
На первом этапе развития техники автоматизации непрерывных и дискретных производств применялись механические регуляторы и толкатели, работа которых была наглядна для обслуживающего персонала. Затем для непрерывных процессов стали использовать функциональные блоки на радиолампах, диодах и транзисторах, а для дискретных процессов - релейно-контактные переключательные системы. Такие системы создавались под конкретные объекты управления. При изменении объекта приходилось менять приспособленную для него систему управления. Последним достижением в создании аппаратных устройств автоматики были аналоговые и цифровые микросхемы, которые размешались на специализированных печатных платах.
В 70-х годах появились универсальные ЭВМ типов БЭСМ 6, СМ 2, ЕС, М 6000 с программами управления объектом в режиме реального времени. Центральный компьютер собирал и обрабатывал сигналы датчиков, представлял информацию диспетчеру, накапливал информацию о ходе процесса для расчета технико-экономических показателей и составления отчета. Функции управления объектом поручались диспетчеру, хотя некоторые задачи управления решались простой автоматикой.
Появление микропроцессоров в начале 80-х годов привело к принципиальному пересмотру подхода к автоматизации производства. Созданные под конкретный объект релейно-контактные системы управления и автоматические регуляторы стали заменять универсальными контроллерами с перепрограммируемыми под объект алгоритмами управления. Переход от аппаратной к программируемой технике автоматизации заслуживает специального рассмотрения. В обоих случаях на вход устройства автоматики подают сигналы X1, X2, ..., Xn с датчиков на объекте управления (рис. 1.11). Устройство по заданному алгоритму вырабатывает команды управления объектом Y1, Y2,....,Ym.
Аппаратное устройство управления (рис.1.11,а) выполнено путем жесткого соединения элементов в соответствии с заданным алгоритмом управления. Элементы работают параллельно. При изменении объекта или алгоритма управления приходится создавать новое устройство управления, поскольку пересоединение элементов требует больших затрат. Это препятствует модернизации устройств управления и повышению уровня автоматизации.
Программируемое устройство управления (рис. 1.11,б) имеет универсальную структуру из микропроцессора, постоянной и оперативной памяти, устройств ввода/вывода. Его привязку к конкретному объекту автоматизации осуществляют путем записи соответствующего алгоритма управления в запоминающее устройство. При изменении объекта или алгоритма управления просто перезаписывают программу управления. Унифицированные устройства управления выпускаются тысячами штук, что снижает их стоимость. Их функциональные возможности при небольших размерах непрерывно расширяются, надежность растет, а программное обеспечение все больше приспосабливается к непрограммирующему пользователю (пример ПУ: ПЛК).
Одновременно развивались многопроцессорные распределенные системы управления DCS (Distributed Control System). Система представляет собой совокупность распределенных в пространстве вычислительных средств, связанных через коммуникационную систему центральным устройством управления (рис. 1.13).
Она применяется для объектов с непрерывным технологическим циклом: химических реакторов, АЭС, металлургических и пищевых производств. Текущая информация о процессе стекается в центральное устройство управления, которое представляет ее операторам и вырабатывает сигналы управления процессом.
К 1990 году контроллеры стали соединяться с шинами обмена информацией в стандартах RS232 и MAP, к которым подключался персональный компьютер для визуализации процессов на пульте диспетчера. Контроллеры, связанные с объектом, стали подключать к распределенным системам управления в качестве низовых звеньев автоматики. Появились общие для обеих систем операционные системы, работающие в реальном времени.
Новым направлением компьютерной автоматизации стало создание промышленного компьютера и его применение для автоматизации управления процессом.

14. Вербальные и графические языки программирования контроллеров по стандарту IEC 61131-3. Структурированный текст (ST) и список инструкций ( IL).

Применявшийся для дискретных процессов язык релейно-контактных схем не позволял описывать разветвления и параллельную работу единиц оборудования, а язык функциональных блоков для непрерывных процессов становился громоздким при применении для сложных многоканальных объектов. Стали создавать универсальные языки программирования, пригодные для описания как для непрерывных, так и дискретных процессов. Появились компиляторы, переводящие программу с универсального языка на язык ПЛК. В универсальный язык вводились "входы" и "выходы" контроллера и подпрограммы с типовыми алгоритмами управления. Однако само программирование оставалось сложным для технолога, знающего все особенности управления процессом, но не владеющего языками программирования. В 1998 году Международная электротехническая комиссия МЭК ввела стандарт программирования управляющих систем IEC 61131-3, включающий пять языков (рис.3.14).
К вербальным или текстовым языкам относятся список инструкций (IL) и структурированный текст (ST). В группу графических языков входят функционально- блочные диаграммы (FBD) и лестничные диаграммы (LD). К обеим группам относятся диаграммы последовательных функций (SFC). При программировании контроллера технолог выбирает удобный для себя язык стандарта IEC 61131-3 и записывает на нем алгоритм управления объектом автоматизации. Работа ускоряется, если использовать специальное ПО, например Concept 2.0. После выбора языка технолог строит и редактирует желаемый алгоритм управления, выбирая из библиотеки элементы и соединяя их линиями на экране. Логические противоречия и другие ошибки выявляются встроенным редактором. Записанный алгоритм с помощью транслятора переводят на язык применяемого контроллера. В Concept 2.0 встроены имитаторы программируемых логических контроллеров. После отладки алгоритма на имитаторе программу записывают в реальный контроллер.
1. Список инструкций (IL - Instruction List) представляет собой текстовый язык типа Ассемблера, близкий к внутренним командам контроллера. Программу записывают по строкам, каждая из которых является инструкцией для контроллера. Инструкция начинается с оператора LD (записать отмеченный операнд и установить равный ему текущий результат) и содержит операторы: ST (присоединить текущий результат к отмеченному), R (установить булев операнд равным 1, если текущий результат равен 1), AND (логическое "И"), OR (логическое "ИЛИ"), XOR (исключающее "ИЛИ"), ADD (дополнение), SUB (вычитание), MUL (умножение), DIV (деление), GT, GE, EQ, NE, LE, LT (разные виды сравнения), JMP (перейти к метке). После оператора в инструкции записывают операнды или переменные: %1Х, %ОХ (булев вход/выход); %ГВ, %ОВ (кодовый вход/выход); %IW, %OW (целочисленный вход/выход); %ID, %OD (реальный вход/выход). После операнда может следовать комментарий технолога ("нагрев закончен", "нормально открытый контакт" и др.).
2. Структурированный текст (ST - Structured Text) является высокоуровневым текстовым языком программирования типа Pascal с широкими возможностями структуризации. Он описывает последовательность состояний, каждое из которых вводится несколькими линиями или набором состояний в одной линии. Применяют следующие виды состояний: назначение, вызов функции, вызов функционального блока, разветвление (IF - если, CASE - в случае), циклы (FOR - для, WHILE -пока, REPEAT -повторить, EXIT - выйти). Приведём примеры состояний.
Назначение: А:= В; CV:= CV + 1; Y:= cos (x)
Разветвление: IF D < 0.0 THEN Number_Lsg:=0
CASE voltage OF
101...200: View- too large
20...100: View:= large
2...191 TO 5 DO
sum:= s: View:= normal
Циклы: FOR I:= urn + 1

15. Три способа регулирования непрерывных процессов.

Для непрерывных систем существует три способа автоматического регулирования: разомкнутое, с компенсацией возмущений, по отклонению. Рассмотрим их на примере обогрева некоторого помещения (рис. 1.5).
При разомкнутом регулировании фиксируют положение регулятора нагрева, и нагреватель начинает обогревать помещение (рис. 1.5,а). Температура внутри помещения зависит не только от работы нагревателя, но и от температуры снаружи помещения, а также от множества других факторов. Если все они не меняются, то удается достичь нужной температуры внутри помещения. При этом следует учитывать динамику нагрева помещения, зависящую от его конструкции и наружной температуры. Разомкнутое регулирование редко применяется при автоматизации, так как поведение реальных объектов зависит от многих факторов.
При регулировании с компенсацией возмущений регулятор нагрева изменяет свое положение в зависимости от измерения величины температуры снаружи помещения (рис. 1.5,б). Благодаря этому температура внутри помещения не зависит от наружной температуры. Однако на нее влияют другие возмущающие факторы, такие как направление ветра или наличие щелей. Вес возмущения трудно измерить и подать на вход регулятора. Из-за этого регулирование с компенсацией возмущений применяют при ограниченном числе возмущений.
Влияние множества возмущающих факторов на температуру внутри помещения можно компенсировать проще: измерив эту температуру и подав полученную величину на регулятор нагрева, который сопоставит ее с той температурой, которая задана для данного помещения (рис. 1.5,в). Нагреватель будет работать в зависимости от разности заданной и фактической температур. Чем больше разность, тем больше будет интенсивность нагрева. Регулирование по отклонению или регулирование с обратной связью стало основным способом регулирования при автоматизации.

16. Язык лестничных диаграмм (LD - Ladder Diagram)

развивает известный язык лестничной логики. Она состоит из правой и левой шин питания, контактов, обмоток реле, функциональных блоков, горизонтальных и вертикальных линий.
На рис. простая релейная схема представлена в виде лестничной диаграммы. Кнопкой S1 включается контактор K1. Его контактами включается контактор К3, который включает индикатор H1. При повторном нажатии кнопки S1 включается контактор К2. В этом случае контактор К3 и индикатор отключаются. При переходе к лестничной диаграмме элементам схемы присваивают номера согласно табл.
Соответствие элементов релейно-контактной схемы и лестничной диаграммы на рис.
В лестничной диаграмме могут быть 4 вида контактов (нормально открытый, нормально закрытый, с памятью на включение, с памятью на отключение) и 6 видов обмоток (простая, инверсная, с сохранением включенного или отключенного состояния, с памятью единичного или нулевого предыдущего сигнала). Лестничная диаграмма может также содержать функциональные блоки, формирующие выход согласно своей функции или цепи подключённых к ним контактов (рис 3.17).

17. Фуззи-регулирование применяется в случаях, когда:

- нельзя количественно выразить некоторые цели автоматизации;
- нельзя установить количественную связь между параметрами, влияющими на процесс;
- управление является многошаговым, причем нельзя заранее описать каждый шаг;
- полученная трад. методами модель объекта громоздка и не м. б. использована на практике.
Теория фуззи-регулирования, предложенная американским учёным Заде в середине 60-х годов, через 20 лет была впервые использована в Дании для управления доменной печью. Её идея состоит в том, что измеряемой переменной присваивается функция принадлежности некоторому понятию.
Как и с обычными множествами, с функциями принадлежности можно вести операции объединения, пересечения и дополнения (рис.3.2). При объединении функций переменная описывается объединенной функцией принадлежности (рис.3.2,а). При пересечении функций переменная описывается общей частью функций принадлежности (рис.3.2,б). При дополнении функций переменная описывается противоположным значением функции принадлежности (рис. 3.2,в).Применяют также специальные операции размывания и концентрации функций принадлежности.
При фуззи-регулировании сигнал датчика сначала переводят в нечеткую форму (фуззифицируют), затем обрабатывают, переводят в обычную форму (дефуззифицируют) и подают на исполнительные устройства. Вместо количественной переменной вводят понятие лингвистической переменной, значениями которой являются слова естественного языка, называемые термами. В таблице Связь между входом и выходом зададим таблицей нечётких правил (табл.3.1).
Каждая запись в таблице соответствует своему нечеткому правилу, например. Задача экспертов - задать функции принадлежности измеряемых величин термам (близко) лингвистических переменных (например дистанция). Таким образом, управление мобильным роботом с нечеткой логикой будет реализовано следующим образом: данные с сенсоров о расстоянии до препятствия и направлении движения робота фуззифицируются, обрабатываются согласно таблице нечетких правил, дефуззифицируются, после чего полученные величины в виде команд поступают на исполнительные устройства робота. Такую систему управления строят в виде фуззи-контроллера, содержащего блок фуззификации, базу знаний, блок решений, блок дефуззификации (рис.3.4).
Блок фуззификации преобразует величины, измеряемые на выходе управляемой системы в нечеткие величины, описываемые лингвистическими переменными, которые заложены в базу знаний. Блок решений использует нечеткие правила типа "если ..., то... ", которые тоже заложены в базу знаний. На его выходе появляются нечеткие управляющие решения типа "повернуть влево". Они поступают в блок дефуззификации, где преобразуются в команды для исполнительных устройств в управляемой системе.

18. Язык функционально-блочных диаграмм (FBD - Function Block Diagram)

представляет работу контроллера в виде элементарных функциональных блоков, которые соединяют связями или текущими параметрами. Порядок работы блоков определяется потоком данных через контроллер. Каждая часть контроллера может иметь любое число блоков, входов и выходов. Функциональный блок может быть трех видов: элементарная функция (блок), порядок исполнения, назначение и исполнение (рис.3.15).
Элементарная функция - это преобразователь с входами и выходами, не имеющий внутреннего состояния (рис.3.15,а). Внутри преобразователя указывают вид функции, вверху - номер преобразователя. Элементарный блок имеет внутреннее состояние. Внутри блока указывают его тип, вверху - номер секции, затем номер объекта в секции (рис.3.15,б). Порядок исполнения задаёт размещение элементарных блоков (рис. 3.15,в). Назначение и исполнение описывают включение или отключение отдельных порядков исполнения по командам в программе (рис.3.15,г) по принципу "не работающий сейчас блок не участвует в программе".

19. Нейронные сети.

Первая попытка технической имитации процесса обучения и распознавания с помощью нейронов была предпринята Ф. Розенблаттом в 1958 г. Перцептрон Розенблатта состоит из чувствительных S-элементов, случайно связанных с ассоциативными А-элементами, которые через усилители Y соединены с реагирующими R-элементами (рис.3.5).
Выход А-элемента отличается от нуля, если на его входе включилось несколько S-элементов. Некоторая комбинация выходов А-элементов после их усиления распознается R-элементом как определенный образ. При обучении перцептрона S-элементы воспринимают некоторые образы, для каждого из которых известен класс R. Если для 1-го образа включился элемент Ri, то "поощряют" правильное решение, увеличивая коэффициенты усиления усилителей в соответствующих связях. Если включился другой элемент, то коэффициент усиления уменьшают до выключения R-элемента. После такого обучения перцептрон способен самостоятельно распознавать образы. Перцептроны могут решать лишь ограниченный круг задач, тем не менее, их идея стала далее развиваться в нейронных сетях.
Нейронная сеть состоит из множества связанных друг с другом нейронов. Связи между нейронами имеют разные весовые коэффициенты, которые задают в процессе обучения нейронной сети. Нейрон может быть представлен как соединение адаптивного сумматора с нелинейным преобразователем (рис.3.6).
Значения признаков среды Xi,...,Xn подают на входы усилителей с коэффициентами усиления ai,...,an, которые настраивают в процессе обучения нейрона. На выходах усилителей образуются произведения сигналов на их весовые коэффициенты a1x1......аnхn . Эти произведения поступают в адаптивный сумматор, где суммируются. Сумма поступает в нелинейный преобразователь ?, который по ее величине определяет, к какому классу относится ситуация, заданная значениями признаков х1...,хn. Решение подают на входы других нейронов или к исполнительному устройству объекта. Таким образом, нейронная сеть, на которую поступило множество значений признаков среды и состояния робота, способна распознать неизвестную технологическую ситуацию по заданным в процессе обучения весовым коэффициентам входных сигналов. Обучение нейронной сети сводится к настройке весовых коэффициентов так, чтобы определенному набору ситуаций соответствовало одно решение. Если задаются однозначные связи "ситуация-решение", то обучение организуется автоматически.
Нейронные сети строят из нескольких слоев (рис.3.7). Нейроны первого слоя получают значения признаков ситуаций и после преобразования передают результаты первичной обработки следующему слою. Каждый выходной сигнал каждого нейрона поступает на вход каждого нейрона следующего слоя. Последний слой формирует решение: к какому классу отнести данную ситуацию. Различают нейронные сети прямого распространения и сети с обратными связями. В сети прямого распространения передача сигналов идет в одном направлении, поэтому предыдущее состояние сети не влияет на последующее состояние. В сети с обратными связями введены соединения выходов некоторого слоя с его входами или входами предыдущих слоев, что придает сети свойство памяти о предыдущем состоянии.
Различают алгоритмы обучения с учителем и без учителя.
Обучение с учителем предполагает, что для каждого сочетания входов сеть должна вырабатывать правильный выход. Связи между нейронами усиливают или ослабляют так, чтобы снизить расхождение между появившимся и правильным выходами сети.
Обучение без учителя сводится к тому, что связи между нейронами усиливают или ослабляют так, чтобы для близких друг к другу входов сеть вырабатывала одинаковые выходы.
В обоих случаях неизвестные входы распознаются с некоторой вероятностью ошибки.
Способность нейронной сети распознавать неизвестное состояние динамической системы используется в системах автоматического регулирования. Система с нейронной сетью работает в режимах обучения и регулирования (рис.3.8). Необходимо уменьшить рассогласование между заданным d и фактическим х выходами путем изменения весов Wij в соединениях нейронов. В режиме обучения их изменяют так, чтобы рассогласование было минимальным. После настройки систему переводят в режим регулирования. Сеть вырабатывает сигналы у, обеспечивающие минимальное рассогласование между заданной d и фактической x величинами.

20. Язык диаграмм последовательных функций (SFC - Sequential Function Chart)

задаёт последовательность шагов программы в соответствии с шагами управляемого процесса. Диаграмма последовательных функций связывает технолога с разработчиком контроллера. Она обеспечивает отображение, которое ориентировано на процесс, и включает две составляющие:
- последовательность исполнения (линейная, с разветвлением, с переходом, с петлёй);
- выполняемые действия (незакрывающие, закрывающие, с временной задержкой, с ограничением времени, пульсирующие и т.д.).
Диаграмма последовательных функций содержит:
- шаги, показывающие состояние управления процессом;
- переходы, показывающие завершение операции;
- условные переходы, показывающие выполнение некоторого условия и разрешающие следующий шаг;
- механические связи, соединяющие шаги и переходы;
- альтернативные ответвления, удовлетворяющие логическому "ИЛИ";
- параллельные ответвления, показывающие одновременное выполнение операций;
- пропуски шагов, петли и действия.
В качестве примера опишем процесс подачи заготовок на конвейер (рис.3.18).
Сначала заготовка находится в накопителе. Из накопителя её выталкивает шток гидроцилиндра 1, а шток гидроцилиндра 2 перемещает заготовку на конвейер. Затем шток вдвигается в корпус гидроцилиндра 2, после чего вдвигается шток гидроцилиндра 1.
Диаграмма последовательных функций содержит 8 шагов, справа от которых показаны выполняемые действия (рис.3.19).
Сопоставим возможности стандартных языков программирования управляющих систем. Диаграммы последовательных функций SFC применяют для структуризации процесса, в то время как другие языки отображают реализацию переходов и шагов. Графические языки (функционально - блочные диаграммы FBD и лестничные диаграммы LD) не позволяют вводить обходы и условия непосредственно. Кроме того, лестничные диаграммы ориентированы на описание дискретных процессов. Текстовые языки (список инструкций IL и структурированный текст ST) не предусматривают ввод состояний на входах и выходах. В отличие от списка инструкций структурированный текст не позволяет вводить обходы позиций, в то время как список инструкций не предусматривает петлевых операций с операторами типа "для", "пока", "повторить".

21. Мультиагентное управление

Идея мультиагентного управления состоит в том, что устройства управления на распределенных в пространстве объектах управления обмениваются информацией друг с другом с целью корректировки общего поведения системы объектов при изменениях внешней среды. Если при централизованном управлении программы управления объектами изменялись от центральной ЭВМ (рис. 3.9,а), то при мультиагентном управлении объекты управления передают информацию друг другу через соединяющий их канал связи (рис. 3.9,б).
Агентом называют автономную интеллектуальную систему, состоящую из подсистем движения, получения информации, управления и связи. Агент обладает свойствами:
- коллегиальности (способности к согласованию своих действий с действиями других агентов для решения общей задачи);
- автономности (способности самостоятельно решать локальные задачи);
- адаптивности (способности автоматически приспосабливаться к изменяющейся среде);
- активности (способности к действиям, направленным на достижение локальных и общих целей);
- информационной и двигательной мобильности (способности отыскивать объекты, информацию и энергию для кооперативного решения общей задачи).
Множество агентов, соединенных каналом обмена информацией, называют мультиагентной системой. Перед ней ставят общую задачу, которая делится на локальные задачи, решаемые каждым агентом. Локальные задачи могут изменяться в зависимости от сигналов других агентов.
При разработке мультиагентной системы решают задачи как локального, так и коллективного управления агентами. Примеры таких задач:
- оптимальное или адаптивное планирование движения системы агентов в неизвестной среде с препятствиями;
- оценка окружающей среды и поведения других роботов с позиции задач, решаемых агентом и мультиагентной системой;
- распознавание и классификация неизвестных ситуаций;
- предупреждение столкновений агента с препятствиями и другими агентами;
- изменение поведения при выбытии агентов мультиагентной системы.
Распределение локальных задач между агентами ведется с помощью метода ветвей и границ, позволяющего минимизировать число вариантов распределения задач [6]. Для решения общих задач в мультиагентную систему вводят агент-координатор, который разбивает общую задачу на локальные, распределяет задачи между агентами, организует коллективное поведение агентов и разрешает конфликты при решении общей задачи. Функции агента-координатора могут передаваться локальным системам управления агентами в виде "правил дорожного движения".
Может применяться для согласованного управления распределенными единицами оборудования в ходе технологического процесса. Применение мультиагентного подхода к автоматизации производства обеспечивает ускоренную адаптацию производства к требованиям рынка, включение заказчиков в цепь производства, эффективное распределение ресурсов производства, оптимизацию информационного обмена и обратных связей.

22. Отличия систем SCADA от традиционной диспетчеризации. Структура систем SCADA и их применение при автоматизации производства

- В традиционных системах использовались дорогостоящие щиты с мнемосхемой технологического процесса. В системах SCADA используется компьютерная визуализация, которую легко подстраивать под технологический процесс.
- В традиционных системах отображается состояние каждой единицы оборудования, в системах SCADA эти данные обобщаются.
- В SCADA-системах стало возможным детализировать данные о работе любого участка процесса, оценивать себестоимость продукции, предупреждать развитие аварийных ситуаций, перепрограммировать удаленные устройства управления, контролировать действия диспетчера, сравнивать текущие и прошлые показатели процесса.
Система SCADA содержит три компонента (рис. 1.2):
- удаленные терминалы RTU (Remote Terminal Units) - датчик состояния оборудования, исполнительные устройства и программируемые логические контроллеры (ПЛК), обеспечивающие управление оборудованием в реальном времени;
- главный терминал MTU (Master Terminal Unit) или диспетчерский пункт управления, осуществляющий обработку данных о процессе для диспетчера и преобразование команд диспетчера в сигналы управления объектом;
- коммуникационная система CS (Communication System) - канал связи главного и удаленных терминалов.
Соединение главного и удаленных терминалов промышленными шинами позволило подключать компьютер к шине на любом участке предприятия с целью наблюдения за процессом, диагностики отказов оборудования, обмена информацией с менеджерами или поставщиками оборудования.
Функции системы SCADA заключаются в следующем:
- сбор текущей информации о работе оборудования с датчиков и контроллеров;
- первичное преобразование собранной информации;
- сохранение текущей информации;
- представление текущей и хранящейся информации в виде гистограмм, таблиц, графиков и т.п.
- печать отчетов и протоколов о работе оборудования;
- передача и ввод в устройства управления команд оператора;
- использование текущей информации для решения задач пользователя;
- организация связи с устройствами, подключенными к информационной сети.

23. Классификация и характеристики датчиков в системах автоматизации. Формы выходного сигнала.

Классификация:
1. датчики положения
1.1. контактные
1.2. бесконтактные
- магнитогерконовые
- генераторные (индуктивные)
- щелевые
- плоскостные
- торцевые
- емкостные
- фотоэлектрические
- волоконно-оптические
2. Измерители перемещений
2.1. потенциометр
2.2. фотоэлектрические
3. Тактильные (предназначены для обнаружения контакта с объектом или распознавания объектов по тактильному образу)
4. Силомоментные
5. Локационные
5.1. ультразвуковые
5.2. оптические
5.3. лазерные
5.4. радиолокационные
5.5. сверхчастотные (около 4 Гигагерц)
5.6. при измерении расстояний в несколько сантиметров используют емкостные, вихретоковые, электромагнитные, струйные датчики
6. Системы технического зрения (СТЗ)
6.1.
6.1.1. распознающие
6.1.2. измерительные
6.1.3. обзорно-информационные
6.2. Для работы в оптически непрозрачных средах
6.2.1. радиационные
6.2.2. тепловые
6.2.3. радиоволновые
6.2.4. акустические
Характеристики:
Погрешность измерения - это максимальная разность между измеренной и действительной физической величиной.
Разрешающая способность показывает наибольшую точность, с которой измеряют величину.
Чувствительность - это отношение изменения выходного сигнала преобразователя к изменению входного сигнала. Если при перемещении объекта на 10 мм выходной сигнал изменяется с 10 до 100 В, то чувствительность преобразователя равна
(100-10): 10 = 9В/мм.
Линейность является важнейшей характеристикой преобразователя. При линейной характеристике (рис. 2.4, а) выходная и входная величины связаны постоянным коэффициентом, поэтому для формирования сигнала можно применять простые усилители. Линейная характеристика имеет предел, после которого выходная величина не реагирует на изменение входной величины. При нелинейной характеристике (рис. 2.4, б) приходится разрабатывать специальный нелинейный преобразователь сигнала датчика. Иногда нелинейную характеристику линеаризуют: представляют в виде последовательности линейных характеристик на ограниченных участках 0-Х1, Х1-Х2 (рис. 2.4, в).
Гистерезис показывает, что выход преобразователя зависит от того, увеличивается или уменьшается входная величина (рис.2.5). В этом случае оценивают ширину петли гистерезиса с, которая показывает, какие значения принимает выходная величина у при одном и том же значении входной величины x, но разном направлении её изменения.
Повторяемость показывает, что каждому значению входного сигнала соответствует одно и то же значение выходного сигнала преобразователя.
Время отклика ?t равно времени, через которое выходная величина y достигнет установившегося значения после изменения входной величины x (рис. 2.6).
Полоса преобразования характеризует полосу частот входного сигнала, которую пропускает преобразователь. Чем шире полоса преобразования, тем меньше время отклика.
Выходной сигнал датчика может быть трех видов (рис. 2.2):
а - аналоговый, пропорциональный физической величине;
б - цифровой, при котором значения аналоговой величины преобразуются в цифровую форму, например в цифровом приборе;
в - бинарный, при котором каждому значению физической величины соответствует комбинация нулей и единиц.

24. Функциональные возможности современных программных комплексов SCADA (Genesis32,Genie, Factory Suite, Trace Mode и др.)

Такие системы обеспечивают:
- наглядную информацию о ходе производства;
- отображение состояния приводов и технологического оборудования;
- детализацию выбранных диспетчером частей процесса;
- расчет показателей процесса в динамике и вывод обобщенной и информации в виде графиков, таблиц и рисунков;
- распознавание аварийных и предаварийных ситуаций с формированием соответствующих подсказок для действий диспетчера;
- возможность управления исполнительными устройствами объекта с пульта диспетчера;
- создание архива аварий, событий и поведения процесса во времени;
- защиту от неразрешенного доступа к сбору информации и управлению.
Во всех SCADA-системах предусмотрены рисование объектов, ввод стандартных законов регулирования и алгоритмов управления, подключение нестандартного оборудования, моделирование процесса. Встроенный графический редактор позволяет рисовать мнемосхему процесса в статике, представление работы в динамике и желаемое отображение технологических параметров. Одновременно развиваются возможности технических средств SCADA. Удаленные терминалы RTU строят в виде промышленных компьютеров или программируемых логических контроллеров с интеллектуальными функциями и увеличенными скоростями обработки информации. Диспетчерские пункты управления MTU строят по принципу "клиент-сервер" и
составляют из 4-х компонентов:
- человеко-машинный интерфейс (Man-Machine Interface);
- система управления разнообразными базами данных (Data Management);
- система связи со стандартными промышленными шинами (Networking and Services);
- службы реального времени (Real-Time Service).
Коммуникационные системы CS реализуют на стандартных промышленных шинах с передачей информации со скоростью до 12 Мбит/с по паре скрученных проводов на расстояние до 90 км.
Система Factory Suite объединяет уровни MES, SCADA и Control. Содержит четыре ключевых компонента:
- In Touch (в касании) позволяет наблюдать за дискретными и непрерывными процессами, отображёнными на экране в реальном времени.
- In Track (в технологическом маршруте) позволяет моделировать и контролировать любую стадию дискретного производственного процесса. Можно моделировать и планировать процессы производства, оценивать объемы незавершенного производства, автоматизировать сбор данных, определять очередность работ.
- In Batch (в смешивании) разработан для моделирования и автоматизации процессов дозирования и смешивания в металлургической, химической, пищевой и фармацевтической промышленности. С его помощью можно моделировать процессы, создавать рецепты и имитировать их исполнение, управлять процессом путем его сопоставления с моделью.
- In Support (в поддержке) обеспечивает интерактивный поиск и устранение неисправностей с доступом к технической документации и ее ведением для любого объекта производства. В системе имеется среда для создания мультимедийных описаний объектов в виде электронных руководств с текстами, гиперссылками, чертежами, фото и видео. Для поиска неисправностей используют встроенную экспертную систему, которая сопоставляет признаки неисправности, учитывает время и стоимость ремонта, оценивает варианты поиска неисправности.
Программы позволяют включаться через промышленную сеть к сети Интернет.
Система Factory Suite специально состыкована со стандартным набором программных средств Microsoft BackOffice, что обеспечивает её связь с сетью Интернет для обновления программ и распределения новых приложений по предприятиям.
Аналогичная система GENESIS 32 имеет русскую версию и содержит среду разработки сценариев на стандартном языке Microsoft Visual Basic for Applications. Система содержит четыре приложения:
- GraphWorX32 (разработка и просмотр мнемосхем);
- TrendWorX32 (построение графиков параметров);
- AlarmWorХ32 (обнаружение аварийных событий);
- ScriptWorX32 (разpaботка и запуск сценариев).
Как и Factory Suite, система GENESIS 32 работает с протоколом TCP/IP, позволяющим включаться в локальную сеть предприятия Интранет и выйти во всемирную сеть Интернет.
TraceMode. Пакет отличается низкой стоимостью, сопровождением на русском языке, совместимостью с контроллерами отечественного производства. Программирование ведут в три приема. Сначала с помощью встроенного графического редактора создают базу каналов ввода-вывода и мнемосхему процесса. Затем формируют представление технологических параметров в динамике. На последнем этапе запускают алгоритм управления производством в режиме реального времени.
Разработана технология автопостроения проекта. Вводят информацию о числе точек измерения/контроля, количестве и размещении контроллеров и персональных компьютеров, алгоритме управления производством. Пакет автоматически формирует проект АСУТП и вырабатывает программы для контроллеров на языках функциональных блоков и списка инструкций, соответствующих международному стандарту программирования контроллеров IEC 61131-3. Тип контроллера выбирают из встроенной библиотеки.
Factory Link ECS (Enterprise Control System) представляет собой программный пакет для задач визуализации на уровнях исполнения производства MES, поведения оборудования SCADA и связи с объектом MMI. Она основана на шине открытого программного обеспечения, в которую могут вводиться разнообразные программные модули, обменивающиеся данными в реальном времени.
Система построена по принципу "конфигурирование вместо программирования". Ее ядром является подсистема реального времени, обеспечивающая отсчет интервалов времени, счет данных, математические преобразования. С ним связаны следующие подсистемы:
- связи с базой данных предприятия, обеспечивающая доступ пользователя к характеристикам производства;
- графического мониторинга и управления, отображающая мнемосхему конкретного производства с выводом тенденций развития, предупреждения об авариях, исходные и результирующие данные;
- локальной сети для двунаправленного обмена информацией с другими системами в режимах "клиент - сервер" или "от точки к точке";
- организации и отчета для ввода изменений в производственное оборудование, получения данных из удаленных источников, генерации отчетов;
- связи с внешними устройствами, обеспечивающая соединение с сотнями механизмов, программируемых логических контроллеров PLC. распределенных управляющих систем DSC, удаленных персональных компьютеров.
Пользователь строит мнемосхему технологического цикла из элементарных блоков во встроенной библиотеке. Система построена по принципу "Easy - То - Use" (легко применять) и предназначена для инженеров, занимающихся планированием, изготовлением и обслуживанием систем промышленной автоматизации.

25. Линии и каналы связи с устройством управления

Линии связи:
1. витая пара (до 1 Мбит/сек)
2. коаксиальный кабель (до 10 Мбит/сек)
3. оптоволокно (150 Мбит/сек)
4. атмосфера (wireless)
Каналом передачи информации называют линию связи, к началу которой подключен передатчик, а к концу - приемник сигналов. Передача информации от датчиков осуществляется параллельным или последовательным способам.
На линию связи действуют помехи. Для их подавления используют следующие способы.
Для подавления взаимных помех преобразователь (датчик) П и вход устройства управления УУ соединяют коаксиальным кабелем К, представляющим собой провод внутри экранирующей оплетки. Экран заземляют в одной точке, обычно на входе устройства управления.
Самым дешевым способом подавления помех является скручивание пары проводов от преобразователя П к устройству управления УУ (рис. 2.62). В каждой точке пересечения проводов помехи взаимно уничтожаются, что приводит к подавлению помех на входе устройства управления УУ.
Самой высокой пропускной способностью и помехоустойчивостью обладает волоконно-оптическая линия связи. В ней электрические сигналы преобразуют в оптические импульсы, которые передают по оптическому волокну, а затем преобразуют в электрические сигналы.
Она представляет собой оптическое волокно 1, к началу которого через модулятор 2 и преобразователь "электричество - свет" 3 подключен передатчик 4. Конец волокна через преобразователь "свет - электричество" 5 и демодулятор 6 соединен с приемником 7.
Различают одномодовое и многомодовое оптические волокна. Мода - длина волны, проходящей через волокно под определенным углом отражения. Световая волна имеет 2500 мод. В одномодовом волокне вводится луч с одной длиной волны (рис. 2.65, а), в многомодовом волокне одновременно передаются лучи разной длины волны (рис. 2.65, б).
Одномодовое волокно имеет полосу пропускания более 10 ГГц и применяется для передачи сигналов на расстояния более 100 км. Многомодовое волокно с полосой пропускания 1-10 ГГц применяют для расстояний 1-100 км. Стоимость многомодового волокна в три раза меньше, чем одномодового. Ослабление оптического сигнала в одномодовом волокне составляет 0,2 - 0,3 дВ/км, в многомодовом - около 0,9 дВ/км. Ослабление сигнала в два раза соответствует уровню 3 дВ. Масса километра оптического кабеля для передачи 100 тыс. телефонных разговоров не превышает 300 г.
В современных системах автоматизации чаще всего применяют связь через витую пару проводов, к которой легко подключать дополнительные устройства автоматизации. Для обмена информацией между двумя из сотен устройств, подключенных к витой паре, разрабатывают протоколы промышленных шин.

26. Структура информационной сети компьютерно-интегрированного производства. Определения промышленной сети, протокола обмена информацией, скорости и тактовой частоты передачи информации.

Промышленная шина предназначена для обмена информацией по двум проводам между распределёнными на объекте управляющими устройствами. Её задача - синхронизировать работу датчиков, приводов и управляющих устройств разных фирм в распределенной системе управления производством. Скорость определяется числом бит, передаваемых в единицу времени. Тактовая частота измеряется в герцах и представляет собой фиксированное число изменений несущего сигнала в единицу времени. Связь между скоростью передачи и тактовой частотой - это кодирование, подобное коробке передач автомобиля.
Современная система управления представляет собой рассредоточенные на объекте микроЭВМ, датчики и исполнительные устройства, связанные каналами высокоскоростного обмена информацией с шинами (рис.2.1).
Различают четыре иерархических уровня каналов обмена информацией.
1. Сенсорная шина (Sensorbus).
Простой канал обмена информацией, к которому подключают датчики и исполнительные устройства объекта управления.
2. Промышленная шина (Fieldbus).
Соединяет датчики, приводы и переключатели с программируемым контроллером, обеспечивающим автоматическое управление процессом. Сенсорную шину соединяют с промышленной шиной через мост согласующий разные протоколы передачи информации в сенсорной и промышленной шинах. К этой шине подключают регуляторы непрерывных величин, интеллектуальные датчики и приводы, имеющие собственные устройства первичной обработки информации и интерфейс связи с промышленной шиной. Применявшиеся до компьютерно-интегрированного управления датчики и приводы можно также подключать к промышленной шине через специальные преобразователи их сигналов в стандартный протокол выбранной шины.
3. Закрытая шина.
Соединяет рабочие места менеджера предприятия и диспетчера цеха с устройствами управления процессами.
4. Открытая шина.
На этом уровне обрабатывается информация для управления предприятием. Его называют сетью предприятия LAN (Local Area Network) или Интранет, к которой подключены офисные компьютеры. Эта сеть работает по стандартному протоколу TCP/IP (Transmission Control Protocol Internet Protocol), позволяющему подключаться к сети Интернет. Таким образом, управление производством может вестись из любой точки мира.
Протокол обмена информацией
Протоколом называют порядок обмена информацией между устройствами, подключенными к шине.

27. Обработка сигналов связи объекта управления с микроЭВМ

Преобразование сигналов
Для подключения датчиков и исполнительных устройств к быстродействующему микропроцессорному устройству управления необходимы защита от дребезга контактов на входе устройства, гальваническая развязка входных и выходных сигналов, преобразование импульсов напряжения входных устройств в форму внутренних сигналов микропроцессора, преобразование выходных сигналов в напряжения управления исполнительными устройствами, аналого-цифровое (АЦП) и цифро-аналоговое (ЦАП) преобразования (рис. 2.51).
Гальваническая развязка между датчиками и устройством управления необходима для защиты микроЭВМ от бросков напряжения на входе, например при попадании высокого напряжения на линию связи, а также для исключения связи датчиков через устройство управления.
Формирование искаженных линией связи сигналов от разнообразных датчиков в уровень внутреннего напряжения устройства управления осуществляют с помощью триггера (рис. 2.54). При повышении напряжения на входе выше заданного уровня триггер переходит в состояние "1", при снижении - в состояние "0".
Для защиты от импульсных помех в линии связи применяют интегратор (рис. 2.55). При появлении импульсной помехи в интегратор, происходят заряд и разряд конденсатора.
Особенно трудно ввести в цифровое устройство управления аналоговые сигналы датчиков. Чтобы уменьшить стоимость входных устройств, применяют поочередную обработку сигналов нескольких датчиков на одном входе устройства управления с помощью мультиплексора, схемы выборки-запоминания, аналого-цифрового преобразователя (АЦП) и порта ввода-вывода.

28. Человеко-машинный интерфейс в структуре автоматизации производства

Главной задачей человеко-машинного интерфейса MMI (Man-Machine Interface) в SCADA-системах является облегчение работы оператора путем отображения на экране компьютера интуитивно понятной информации о работе оборудования.
Для отображения разнообразных объектов автоматизации в SCADA-системах применяют одни и те же приемы:
- типовые органы управления- кнопки, рубильники, поворотные или ползунковые регуляторы;
- отображение параметров процесса стрелочными, полосковыми и цифровыми индикаторами;
- архивацию текущих параметров процесса за определенный период;
- понятный диспетчеру язык общения с ЭВМ;
- управление в реальном времени;
- устройства связи с технологическим оборудованием разных фирм;
- защиту от неразрешенного доступа к системе автоматизации;
- одновременное представление информации о разных сторонах процесса.
Создание графического отображения конкретного процесса с помощью входящего в SCADA-систему пакета человеко-машинного интерфейса MMI включает три этапа:
1) формирование статического изображения рабочего окна
2) формирование динамических элементов рабочего окна
3) описание алгоритма отображения и управления
Наконец, сформированный алгоритм управления запускают с помощью входящей в любой пакет SCADA программы-монитора "Runtime".
Наблюдая за процессом, диспетчер формирует запрос, который передается через систему связи между MMI - станцией и единицей оборудования с перепрограммируемым управлением (рис. 1.5). Запрос поступает в программируемое устройство управления как сигнал "Индикация". Отклик на запрос формируется устройством управления и передается через систему в MMI - станцию как сигнал "Подтверждение". Такой порядок обмена часто называют моделью "Клиент - Сервер", где клиентом является MMI - станция, а сервером - система программируемого управления.
В SCADA - системе могут быть два режима управления:
автоматическое и инициируемое диспетчером. В первом режиме диспетчер планирует последовательность действий, перепрограммирует устройства управления на последующие действия, следит за ходом производства на экране компьютера и вмешивается в процесс только для подстройки параметров или при отказе автоматики. Во втором режиме диспетчер наблюдает за процессом, вырабатывает и передает команды управления оборудованием. Второй режим не требует больших затрат на оборудование, однако приемлемая для диспетчера скорость слежения за процессом может быть недостаточна для автоматического управления оборудованием.

29. Виды датчиков положения и их характеристики

- датчики положения
- контактные отличаются механическим воздействием переключающего упора на чувствительный элемент. Обычно это рычажные выключатели (рис. 2.8), простые и дешевые, но подверженные механическому износу и неспособные работать при быстрых перемещениях объекта.
- бесконтактные не имеют механического контакта с объектом, поэтому работоспособны при быстрых перемещениях объекта
- магнитогерконовые содержит постоянный магнит и магнитоуправляемый герметизированный контакт (геркон), представляющий собой две-три позолоченные пластины, заключенные в стеклянный вакуумный баллон (рис. 2.10).
Контакты на концах пластин внутри баллона замыкаются, размыкаются или переключаются под действием постоянного магнита. Постоянный магнит, связанный с подвижным объектом, может перемещаться параллельно или перпендикулярно оси геркона. В обоих случаях дифференциал хода 8 достигает 5-6 мм. К недостаткам герконов относятся залипание контактов, влияние близких металлических масс на его работу, невысокая чувствительность, дребезг контактов (отскакивание друг от друга после первого замыкания), ограниченное число срабатываний.
- генераторный использует изменение индуктивности или емкости колебательного контура генератора при перемещении металлического объекта в его зоне чувствительности. Это приводит к срыву колебаний генератора и появлению сигнала на выходе. Внутри корпуса датчика размещены генератор 2 с выведенным в зону чувствительности колебательным контуром, пороговый элемент 3 и усилитель 4 (рис. 2.11). На выходе датчика имеются три провода, к двум из которых подведено напряжение питания. При попадании металлического объекта 1 в чувствительную зону датчика происходит изменение частоты генератора и пороговый элемент переключается в состояние выдачи сигнала. После усиления сигнала появляется напряжение срабатывания реле Р на третьем проводе датчика.
- щелевые. переключающий упор проходит через щель шириной 3-100 мм. Дифференциал хода составляет 1,5 - 2,0 мм при ширине щели до 6 мм и 5 - 15 мм при ширине щели 20 - 100 мм. В плоскостном датчике (рис.2.12, б) переключающий упор перемещается на расстоянии 25 - 16 мм от плоской поверхности датчика.
- плоскостные
- торцевой (индуктивный) выполнен в виде неразборного болта диаметром 8 - 12 мм и длиной 50 - 60 мм (рис.2.13). Внутри болта размещены автогенератор, детектор, пороговый элемент и выходной усилитель-формирователь. Чувствительный элемент представляет собой катушку индуктивности. Прохождение металлического объекта на расстоянии 1- 3 мм от горца датчика приводит к изменению индуктивности, срыву генерации и включению реле Р между проводом питания и третьим проводом датчика.
Дифференциал хода составляет 0,15 - 0,60 мм, погрешность положения точки переключения - 0,05 - 0,10 мм, частота переключения - до 800 Гц, ток нагрузки - 200 мА.
Индуктивный датчик положения использует эффект воздействия металлического объекта на магнитное поле сердечника автогенератора Генератор с катушкой на сердечнике формирует электромагнитное поле (рис. 2.14, а). Ввод в это поле ферромагнитного объекта приводит к снижению магнитного сопротивления сердечника пропорционально расстоянию до объекта (рис. 2.14, б), изменению индуктивности и срыву колебаний генератора. На выходе датчика формируется сигнал срабатывания реле.
Индуктивный датчик дроссельного типа содержит обмотку L на П-образном сердечнике, через которую реле переменного тока Р получает питание (рис. 2.15). При перемещении объекта шунт Ш замыкает магнитный поток через сердечник, индуктивное сопротивление обмотки резко возрастает и реле отключается.
Без внешнего усилителя зазор между сердечником и шутом для распространенного датчика ИКВ - 22 не превышает 10 мм, с усилителем - 50 - 60 мм. Для малогабаритных датчиков (БРП, БСП - 2), с шунтом длиной 80 мм зазор составляет 4 мм, дифференциал хода - до 5 мм.
- емкостные. Чувствительным элементом является емкость колебательного контура. Емкостный датчик положения (рис. 2.16) содержит RC - генератор 2 с конденсатором, вынесенным к горцу датчика, и настроечным резистором 3, пороговый элемент 4 и усилитель 5. При попадании объекта в чувствительную зону датчика емкость конденсатора 1 и частота генератора 2 изменяются. При этом пороговый элемент 4 переходит в другое состояние. После усиления его сигнала на третьем проводе появляется напряжение, которое включает реле Р.
- фотоэлектрические. Принцип работы фотоэлектрических датчиков положения (фотореле) основан на изменении освещенности фотоприемника при перемещении объекта. В них используются все виды фотоприемников: фоторезисторы, фотодиоды, фототранзисторы, фототиристоры.
Датчики положения срабатывают либо при перекрытии объектом луча от источника света к фотоприемнику, либо при отражении объектом света от источника, и его попадании на фотоприемник (рис. 2.18).
- волоконно-оптические реагируют на пересечение или отражение светового потока, передаваемого через оптическое волокно (рис. 2.21). Современные датчики имеют встроенную регулировку зоны чувствительности. Начало и конец зоны чувствительности устанавливают нажатием кнопки на корпусе датчика при обучении срабатыванию датчика.
Характеристики бесконтактных датчиков:
Рабочий зазор у - максимальное расстояние между управляющим и чувствительным элементами.
Зона чувствительности x: - зона, в которой датчик реагирует на перемещение объекта (рис. 2.9, а).
Дифференциал хода ? - разность между точкой включения при прямом перемещении и точкой отключения при обратном перемещении объекта.
Время срабатывания ?t - время между входом объекта в зону чувствительности и срабатыванием датчика.

30. Структуры промышленных шин, порядок и способы обмена информацией между абонентами

Структура шины может быть линейной, древовидной, кольцевой или комбинированной (рис. 2.2).
Применяют три способа связи между устройствами, подключёнными к шине (рис. 2.3):
- связь двух клиентов S (Slave) через сервер М (Master) (a);
- связь клиентов через кольцо (б);
- комбинированная связь (в).
Для всех протоколов определен одинаковый порядок обмена информацией между подключенными к шине устройствами. Передача информации начинается с запроса адресата инициатором связи. Адресат, получив запрос инициатора связи, передаёт ему спой отклик. Инициатор, получив подтверждение адресата, отправляет телеграмму с информацией. Информацию передают в виде кадра, который состоит из флага начала, адресного поля, поля управления, поля данных, поля проверки достоверности передачи, флага конца.
Международный стандарт ISO - OSI.
1. Физический.
Определяет напряжение и форму цифровых импульсов в применяемой линии передачи информации.
2. Канальный.
Устанавливает формат кадра информации, способ ведения и прекращения связи, способ проверки правильности приема данных. Предотвращает наложение сообщений в линии друг на друга. Вводит признаки для отнесения сообщения к запросу или отклику.
3. Сетевой.
Формирует сквозной канал связи между ведущим и ведомым абонентами через узлы шины, имеющие приоритеты.
4. Транспортный
При отказе промежуточного узла шины отыскивает новый путь для связи абонентов.
5. Сеансовый.
Устанавливает порядок обмена данными между взаимодействующими в реальном времени процессами для разных мест шины.
6. Представительный.
Организует преобразование кодов и переформатирование данных при обмене данными между взаимодействующими процессами в разных местах шины.
7. Прикладной.
Обеспечивает сетевой интерфейс между прикладными программами абонентов. При управлении объектом требуется знать не только сигнал, но и состояние датчика. На этом уровне разделяют отсутствие сигнала и отказ датчика, выделяют начало и конец поля данных.
В качестве линии передачи промышленные шины обычно используют витую пару проводов. В современных промышленных шинах информацию кодируют Манчестерским кодом, обеспечивающим минимальную вероятность ошибки. В нем логическому нулю соответствует переход напряжения импульса с нижнего на верхний уровень, а логической единице - переход с верхнего на нижний уровень. Для этого в линию с постоянной частотой подают стробирующие импульсы, которые складываются с битами информации (рис. 2.8).
Если бит информации равен нулю, то сигнал в линии переходит с нижнего уровня на верхний. Если бит информации равен единице, то сигнал в линии переходит с верхнего уровня на нижний (рис. 2.8,a). Если все биты информации равны нулю, то сигнал в линии повторяет стробирующие импульсы (рис. 2.8,б). Если все биты информации равны единице, то сигнал в линии противоположен стробирующим импульсам (рис. 2.8,в). Изменения сигнала происходят в середине такта стробирующих импульсов (рис. 2.8,г). Таким образом, длинная последовательность единиц или нулей в сообщении передается не уровнем канала, а пакетом стробирующих импульсов.

31. Аналоговые и цифровые измерители перемещения.

Простейшим измерителем перемещений с аналоговым выходов является потенциометрический датчик, представляющий собой переменное сопротивление, движок которого соединен с подвижным объектом (рис. 2.22). К сопротивлению подключают напряжение U0. С движка сопротивления снимают выходное напряжение Uвых, пропорциональное величине перемещения подвижного объекта. Точность измерения составляет 0,01 - 0,05 % при числе перемещений до 2,0 млн. с частотой до 150 об/мин. Характеристика потенциометрического датчика должна быть линейной, в отличие от обычных резисторов.
В качестве аналогового измерителя угловых перемещений в автоматике часто применяют сельсинную систему, содержащую сельсин-передатчик и сельсин-приемник, связанные тремя проводами (рис. 2.23).
Каждый сельсин состоит из двухполюсной обмотки ротора Р, поворачивающегося внутри статора С, который имеет три обмотки, размещенные под углом 120°. К ротору передатчика подводят переменное напряжение Uвх. В обмотках статора индуцируется переменное напряжение, распределяемое между обмотками в зависимости от угла ? поворота ротора относительно статора. Это напряжение передается на обмотки статора сельсина-приемника и затем индуцируется в обмотке ротора как величина Uвых, зависящая от угла поворота ротора в сельсине-передатчике. Если обмотки ротора приемника и передатчика питать от одного источника напряжения, то ротор приемника будет повторять повороты ротора передатчика. Погрешность измерения угла ? составляет 20 - 30 угловых минут.
Цифровые измерители перемещений преобразуют линейное или угловое перемещение в цифровой код. Они точнее аналоговых измерителей, поскольку разрешающая способность цифрового кодирования перемещений может быть весьма высока. Измерители имеют движущийся диск или полоску (рис. 2.24) с чередованием проводящих и непроводящих участков и считывающее устройство в виде щетки (а), фотоприемника (б) или индуктивного преобразователя (в). В зависимости от перемещения объекта на выходе измерителя образуются электрические импульсы.
По принципу считывания цифровые измерители делят на накапливающие и абсолютные. В накапливающих измерителях или преобразователях приращений импульсы чувствительного элемента ЧЭ суммируют или вычитают в счетчике приращений (рис. 2.25, а). Накапливающий измеритель возвращается в исходное положение при включении системы и начинает отсчет импульсов при перемещении. В абсолютных измерителях или преобразователях считывания каждое положение объекта характеризуется определенной кодовой комбинацией (рис. 2.25, б).
В современной автоматике наиболее надежными и точными признаны фотоэлектрические измерители перемещений. Измеритель состоит из двух дисков с источниками 1 и приемниками 2 света, закрепленных на общей оси так, что каждый приемник (фотодиод) получает свет от расположенного напротив источника (светодиода) (рис.2.26). Между этими дисками вставляется непрозрачный кодирующий диск 3, в котором вырезаны сектора. При повороте этого диска объектом 4 одни фотодиоды воспринимают свет, а другие - нет. Соответственно углу поворота изменяется код на выходе датчика. В зависимости от числа фотодиодов и размещения секторов на кодовом диске число кодовых комбинаций за один оборот диска достигает 8 тысяч, а разрешающая способность датчика составляет сотые доли микрона.
В качестве датчиков скорости использовали тахогенераторы - миниатюрные электрические машины с возбуждением от постоянных магнитов, в которых выходное напряжение пропорционально угловой скорости вращения ротора, связанного с вращающимся объектом. В настоящее время для измерения скорости используют бесконтактные датчики положения, в которых подсчитывают число импульсов в единицу времени при вращении зубчатого диска, связанного с вращающимся объектом.

32. Семь уровней протокола промышленной шины и их задачи.

Международный стандарт (ISO - OSI) протокола промышленной шины "Стандартная модель пересылки для соединения открытых систем" определяет семь уровней организации взаимодействия. Каждый уровень выполняет определенную функцию организации связи инициатора и адресата через шину.
1. Физический. Определяет напряжение и форму цифровых импульсов в применяемой линии передачи информации.
2. Канальный. Устанавливает формат кадра информации, способ ведения и превращения связи, способ проверки правильности приема данных. Предотвращает наложение сообщений в линии друг на друга. Вводит признаки для отнесения сообщения к запросу или отклику.
3. Сетевой. Формирует сквозной канал связи между ведущим и ведомым абонентами через узлы шины, имеющие приоритеты.
4. Транспортный. При отказе промежуточного узла шины отыскивает новый путь для связи абонентов.
5. Сеансовый. Устанавливает порядок обмена данными между взаимодействующими в реальном времени процессами для разных мест шины.
6. Представительный. Организует преобразование кодов и переформатирование данных при обмене данными между взаимодействующими процессами в разных местах шины.
7. Прикладной. Обеспечивает сетевой интерфейс между прикладными программами абонентов. При управлении объектом требуется знать не только сигнал, но и состояние датчика. На этом уровне разделяют отсутствие сигнала и отказ датчика, выделяют начало и конец поля данных (рис. 2.6).
При отправке сообщения прикладную программу передатчика преобразуют в прикладной уровень протокола. Затем в сообщение последовательно добавляют информацию других уровней, заканчивая физическим уровнем. На входе приемника происходит обратное преобразование - от физического до прикладного уровня.

33. Тактильные датчики и матрицы.

Тактильные датчики предназначены для обнаружения контакта с объектом. Простой тактильный датчик представляет собой датчик положения с подвижным щупом, поворачивающимся при прикосновении объекта (рис. 2.27).
Тактильный датчик, имитирующий ус кошки, содержит гибкий щуп 1, который пропущен через отверстие в медной пластине 3 и припаян к фольгированной плате 2 (рис. 2.28). Через резистор R к плате подключен один полюс напряжения U0, а к медной пластине - другой полюс. При касании объекта щуп изгибается и соединяется с медной пластиной. С фольгированной платы снимают сигнал касания Uвых.
Другим типом тактильных датчиков является датчик контактного давления, не имеющий щупа. Матрица датчиков контактного давления размещается на плоской поверхности и служит для распознавания формы касающегося ее объекта. Датчик контактного давления может быть выполнен в виде матрицы металлических контактов, над которой через эластичный материал с отверстиями уложена фольга (рис. 2.29, б). При нажатии на фольгу контакт замыкается.
Развиваются работы по созданию "искусственной кожи" - тактильных матриц на поливинилфторидной пленке 1 с изменяемой проводимостью R, которую помещают между матрицами электродов 2 и 3 (рис. 2.30). При нажатии на верхний электрод 2 пленка сжимается и ее проводимость в месте нажатия увеличивается, что позволяет оценить распределение давления Р по изменению сопротивления элементов матрицы.

34. Кодирование информации в промышленных шинах. Манчестерский код.

В современных промышленных шинах информацию кодируют Манчестерским кодом, обеспечивающим минимальную вероятность ошибки. В нем логическому нулю соответствует переход напряжения импульса с нижнего на верхний уровень, а логической единице - переход с верхнего на нижний уровень. Для этого в линию с постоянной частотой подают стробирующие импульсы, которые складываются с битами информации (рис. 2.8).
Если бит информации равен нулю, то сигнал в линии переходит с нижнего уровня на верхний. Если бит информации равен единице, тс сигнал в линии переходит с верхнего уровня на нижний (рис. 2.8,a). Если все биты информации равны нулю, то сигнал в линии повторяет стробирующие импульсы (рис. 2.8,б). Если все биты информации равны единице, то сигнал в линии противоположен стробирующим импульсам (рис. 2.8,в). Изменения сигнала происходят в середине такта стробирующих импульсов (рис. 2.8,г). Таким образом, длинная последовательность единиц или нулей в сообщении передается не уровнем канала, а пакетом стробирующих импульсов.
Принятый в 2000 г. Международный стандарт промышленной шины IEC 61158-2 отличается тем, что дополнительно обеспечивает безопасность самой промышленной шины. Шина имеет линейную или древовидную структуру.
Особенностью стандарта является использование передаваемых сигналов (рис. 2.9) не только для обмена информацией, но и для энергоснабжения подключаемых устройств. При токе потребления одного устройства 10 mA к шине могут подключаться до 10 устройств. Скорость передачи при длине линии 1900 м составляет 31,25 Кбит/с. Передачу информации от одного объекта к другому осуществляют в виде телеграмм. Телеграмма содержит начало, адрес, информацию, контрольные биты, конец.

35. Силомоментные датчики.

Силомоментные датчики применяют для измерения усилий на исполнительных устройствах. Преобразование сил и моментов в электрический сигнал осуществляется двумя способами:
- непосредственным съемом сигнала с элемента датчика, чувствительного к усилиям в тензорезисторных, пьезоэлектрических или магнитоупругих преобразователях;
- измерением перемещения подпружиненной опоры, к которой приложено усилие.
Для измерения усилий чаще всего применяют тензорезисторы, преобразующие усилие в изменение сопротивления. Тензорезистор представляет собой тонкий провод с высоким удельным сопротивлением, уложенный прямоугольными витками между мягкими подложками. Сопротивление проводника зависит от удельного сопротивления материала ?, длины проводника L и его сечения S:
Тензорезистор наклеивают на поверхность так, чтобы длинная сторона витков была направлена вдоль линии деформации при нагрузке. Приложение нагрузки приводит к деформации поверхности, удлинению витков и уменьшению сечения проводника в тензорезисторе. Его сопротивление увеличивается на ?R пропорционально величине нагрузки, так как при постоянном объеме проводника:
изменение сопротивления:
Магнитоупругий датчик использует эффект изменения магнитных свойств ферромагнитных материалов под действием силы. Через противоположные отверстия сердечника намотаны две взаимно перпендикулярные обмотки.
К одной из обмоток прикладывают переменное напряжение. Поскольку вторая обмотка перпендикулярна первой, то в ней не наводится напряжение. При приложении нагрузки F сердечник деформируется и во второй обмотке возникает напряжение Uвыx, пропорциональное нагрузке. Магнитоупругие датчики используют при нагрузках более 1 кН в условиях высокого давления, влажности и повышенной радиации.
Вихретоковый датчик усилий использует эффект изменения магнитного сопротивления сердечника электромагнита переменного тока. Измерительная цепь (рис. 2.33) состоит из согласующего трансформатора Тр, первичная обмотка которого подключена к рабочему Д1 и компенсационному Д2 дросселям.
К средней точке трансформатора и точке соединения дросселей подводят переменное напряжение ~U. Мост сбалансирован гак, что при отсутствии нагрузки напряжение Uвых на вторичной обмотке трансформатора равно нулю. Нагрузка F, приложенная к сердечнику рабочего дросселя Д1 изменяет площадь контактных переходов между пластинами сердечника. При этом изменяется переходное сопротивление магнитопровода, обусловленное потерями на гистерезис и вихревые токи. Из-за разбалансирования моста во вторичной обмотке трансформатора Тр появляется напряжение Uвых.
Силомоментные датчики применяют для операций транспортировки, сборки, резания и зачистки. В сложных задачах выделяют шесть проекций вектора сил и моментов в трехмерном пространстве с помощью специального размещения датчиков или программной обработки их сигналов.

36. Структура телеграмм в промышленных шинах PROFIBUS, INTERBUS, P-Net, Ethernet.

Шины PROFIBUS, Р-NET, World FIP, Interbus-S содержат физический, канальный и прикладной уровни.
В протоколе шины Ethernet телеграмма состоит из шести частей (рис.2.10), каждая из которых содержит следующую информацию:
- начало, в котором 64 раза чередуются 0 и 1;
- адрес приёмника, начинающийся с 0 для отдельного устройства и с 1 для группы устройств;
- адрес передатчика;
- длина последующего сообщения данных, что позволяет зафиксировать конец телеграммы и избежать её наложения на другую телеграммy;
- передаваемые данные;
- проверка циклической избыточности (CRC-Cyclic Redundancy Check).
Шина PROFIBUS (PROcess Field BUS) разработана в Германии (1987 - 1991 гг.) для дискретных и непрерывных систем автоматизации. Она содержит физический, канальный и прикладной уровни. Передаваемая телеграмма имеет переменную длину и содержит 10 частей (рис.5.11): код начала для распознавания типа телеграммы, число разрядов до окончания телеграммы, повторение длины телеграммы, код начала телеграммы, код приёмника, код передатчика, контрольные биты типа телеграммы (передача, запрос, подтверждение), код данных (до 246 разрядов), код проверки, код окончания телеграммы. На физическом уровне используют протоколы RS 485, IEC 61158-2. В качестве линии передачи применяют пару скрученных проводов.
Шина Р-NET использует протокол RS 485 для передачи информации по двум скрученным проводам. Телеграмма включает 5 частей (рис. 2.12): код адреса, статус ведущего устройства, длину телеграммы данные, проверку достоверности. Шина имеет физический, канальный сетевой и прикладной уровни. На прикладном уровне описывается тип данных: булевы, словесные, целочисленные, реальные или кодовые. К шине можно подключать до 125 устройств.
Шина INTERBUS-S (1987 г.) во многом отличается от других шин. Сначала в ней использовалась восьмипроводная линия, а затем скрученная пара по протоколу RS-485, оптическое волокно или инфракрасный канал. Шина построена в виде комбинации кольцевой и древовидной структур. Двухпроводная линия служит как для передачи сигналов, так и для энергоснабжения абонентов. Сигналы передают Манчестерским кодом. Адрес абонента не вводят в телеграмму, а задают местом абонента в кольце (рис. 2.15).
В начале цикла все ведомые абоненты одновременно принимают под начала. Затем ведущий абонент передаёт каждому из них 13-разрядный код информации, содержащий стартовый бит, заголовок, собственно информацию и конечный бит. Телеграмма заканчивается подсчётом контрольных битов.

37. Датчики ближней и дальней локации.

Локационные датчики предназначены для бесконтактного измерения расстояний до объектов, скорости движения и размеров объектов, обнаружения препятствий, а также для определения зазоров, перекосов, проскальзываний, наличия внутренних дефектов, толщины материала, твердости, механических напряжений, площади, ориентации относительно заданной точки. Для локационных датчиков используют акустический, магнитный, оптический, радиационный, радиоволновой, тепловой, электрический, электромагнитный и пневматический методы измерения дальности. При пассивной локации принимают собственные сигналы объекта; при активной локации воспринимают разность излучаемого и отраженного от объекта сигналов. Ультразвуковой метод локации основан па способности волн частотой более 20 кГц распространяться в твердых, жидких и газообразных средах с отражением от неоднородностей сред. В эхо-методе на объект передают ультразвуковые импульсы и принимают сигналы, отраженные от неоднородностей среды.
Ультразвуковые дальномеры обеспечивают измерение перемещений с погрешностью 2 % в диапазонах 2-2000 м (в воздухе), 0,5-10000 м (в жидкости); скоростей с погрешностью 2 % - более 2 мм/с (в воздухе), более 10 мм/с (в жидкости); вибраций от 2 мм/с (в воздухе) и до 10 мм/с (в жидкости). Однако они неспособны измерять расстояния до звукопоглощающих объектов, таких как пористая резина, ткань и другие пористые материалы.
Оптический способ локации часто применяют для обнаружения движущихся объектов.
Лазерные дальномеры определяют время прохождения или сдвиг по фазе прямого и отраженного импульсов. Импульсы излучения лазера передаются на объект. Отраженные импульсы через фотоумножитель поступают в видеоусилитель. Расстояние до объекта определяют по числу импульсов, поступивших в счетчик за время между прямым и отраженным импульсами. Лазерные дальномеры обладают высокими точностями и разрешением, но сложны и громоздки.
Радиолокационные дальномеры работают на сверхвысоких частотах, измеряя дальность до 1500 м с относительной погрешностью до 10 %. Расстояние оценивают по времени задержки отраженного сигнала относительно прямого.
Сверхвысокочастотные (около 4 Гигагерц) дальномеры нечувствительны к шуму, вибрации, запыленности и влажности, но стоят дорого. В отличие от других дальномеров они могут работать через непрозрачное неметаллическое окно.
При измерении расстояний в несколько сантиметров используют емкостные, вихретоковые, электромагнитные, струйные датчики. Емкостные датчики основаны на возбуждении генератором с емкостной цепочкой колебаний с частотой, зависящей от диэлектрической проницаемости и расстояния до объекта в чувствительной зоне. При вихретоковом методе используют катушки, питаемые переменным током частотой 2*102-5*107 Гц и расположенные вблизи объекта или охватывающие весь объект. Вихретоковые датчики работают в агрессивных средах, например при измерении отклонения сварочной головки от шва. Они позволяют обнаружить металлические предметы с размерами не менее 0,01 размера преобразователя на расстоянии, не превышающем половину линейного размера преобразователя. Метод позволяет измерять расстояние до объекта, в диапазоне от единиц до десятков сантиметров с погрешностью 3-10 %; толщину электропроводящих покрытий от 10° до 1 м с погрешностью 10-20 %.
В электромагнитных методах измеряют напряженность постоянного или низкочастотного магнитного поля с помощью индукционных катушек, магнитомодуляционных преобразователей (феррозондов), датчиков Холла, магнитодиодов и магнитотриодов, а также изменение интенсивности, амплитуды, фазы, частоты и других параметров излучения волн длиной 1-100 мм при взаимодействии с объектом.
Струйные датчики используют прерывание струи, турбулизацию ламинарной струи, изменение давления в камере, обработку импульсов прерывания струи. С их помощью можно определить линейное перемещение на расстоянии от 0 до 4 мм с погрешностью 0,5-3 % и чувствительностью 200 Па/мкм; наличие объекта на расстоянии до 20 мм с погрешностью 2-8 %; усилие в диапазонах 0,1-10 Н и 1-100 Н с погрешностью 5 % и быстродействием 0,2с.

38. CAN-сети и их применение.

Локальные сети заменяют собой многопроводные линии, которые требуются для связи датчиков, микропроцессоров и исполнительных устройств в автомобилях, стиральных машинах, томографах, упаковщиках и других автономных объектах управления. Их называют CAN - сетями (Controller Area Network - сеть вокруг контроллера). CAN-сети имеют лишь канальный и физический уровни.
Если промышленные сети построены по принципу "Сеть обслуживает пользователя", то CAN - сети строят по принципу "Модули обслуживают сеть". В ней имеется главный модуль, обеспечивающий такую скорость обмена информацией между остальными модулями, чтобы управление объектом велось в реальном времени.
Структура CAN - сети содержит набор микроконтроллеров, которые через CAN-контроллеры подключены к CAN- шине (рис.2.16,а).
CAN - сети отличаются:
- дешевизной элементов (до 10 долларов);
- высокой надёжностью (допускается одна незамеченная ошибка "и 100 лет круглосуточной работы);
- простотой построения и развития сети;
- применением разных линий передачи;
- работой в реальном времени со скоростью передачи информации до 1Мбит/с;
- совместимостью со стандартными компонентами.

39. Системы технического зрения и их элементы.

Системы технического зрения (СТЗ) предоставляют 80 - 90 % информации о внешней среде. Их используют для распознавания и сортировки деталей, разбора деталей из навала и укладки в кассеты, измерения координат движущихся объектов, определения характерных точек и ориентации деталей при сборке, контроле качества обработки и покрытия деталей, контроле изделий. Выделяют распознающие, измерительные и обзорно-информационные СТЗ. Распознающие СТЗ применяют для контроля качества, классификации и сортировки объектов по геометрическим параметрам. Измерительные СТЗ по геометрическим параметрам объектов вычисляют расстояния, преобразуют координаты, определяют ориентацию объектов. Обзорно-информационные СТЗ служат для организации технологического процесса путем анализа сцен в рабочей зоне.
СТЗ содержит видеодатчик 1, информация с которого проходит предварительную обработку в блоке 2 и фиксируется в буферном запоминающем устройстве 3 на время обработки изображения в ЭВМ 4 (рис. 2.42).
В режиме настройки видеодатчик наводят на рабочую сцену, фокусируют изображение, задают пороги градации распознаваемых признаков (например, черный и белый). В режиме обучения перед видеодатчиком помещают эталонные объекты и задают в ЭВМ функцию принадлежности эталона к определенному классу. В режиме распознавания ЭВМ обрабатывает видеоинформацию об объекте по сложным алгоритмам распознавания образов и определяет его принадлежность к тому или иному классу. В качестве видеодатчиков для оптических СТЗ применяют диссекторы, видиконы, приборы с зарядовой связью (ПЗС), полупроводниковые матричные фотоприемники.
Для работы в оптически непрозрачных средах разрабатывают радиационные, тепловые, радиоволновые и акустические СТЗ.
Радиационные СТЗ просвечивают объект рентгеновскими лучами и преобразуют рентгеновское излучение в светотеневое или электронное. В томографии получают объемное изображение внутренности объекта путем обработки плотности слоев на ЭВМ. Тепловые СТЗ воспринимают электромагнитное излучение поверхности нагретого тела. Тепловое поле преобразуют в электрические сигналы с помощью тепловизора. Радиоволновые СТЗ используют матрицы излучателей и приемников радиоволн длиной 1-100 мкм, что позволяет определить геометрические размеры объектов, расстояние, скорость движения, механические напряжения. Акустические СТЗ отличаются построчным сканированием объекта и обработкой отраженных сигналов на ЭВМ. В устройстве сопряжения видеодатчика с ЭВМ поле зрения разбивается на отдельные элементы, для каждого из которых оценивается уровень яркости (обычно черный или белый). В ЭВМ передается матрица изображения из нулей и единиц. Алгоритмические методы обработки изображений сводятся к одному из трех подходов: к сопоставлению с эталоном, классификации (принятию решения) и синтаксическому анализу структуры.

40. Методы компьютерной имитации и анимации дискретных производств.

Аналитические модели описывают технологический процесс последовательностью математических формул. В отличие от них имитационные модели отображают созданное в компьютере случайное взаимодействие элементов технологического процесса во времени и пространстве. Имитационное моделирование применяют, если сложная динамика процесса не может быть описана формулами.
Процесс имитационного моделирования включает четыре этапа:
1. построение имитационной модели технологического процесса;
2. оценку адекватности модели реальному объекту;
3. проведение на модели множества имитационных экспериментов по оценке влияния изменений структуры и параметров на показатели технологического процесса (Что будет, если ...?);
4. интерпретацию результатов экспериментов.
Если аналитическое моделирование сводится к расчетам показателей процесса за определенный период времени, то имитационное моделирование отображает развитие процесса во времени. Для этого применяют вычислительную технику.
На первом этапе развития имитационного моделирования динамику процесса описывали как последовательность уравнений с детерминированными -X и случайными ~X(?t) коэффициентами в виде программы на языке типа Фортран. Время моделирования разбивали на одинаковые шаги ?t, для каждого из которых рассчитывали изменение процесса ~Y(?t). Такой метод имитационного моделирования называется метод статистических испытаний или метод Монте-Карло.
Применение метода Монте-Карло за рубежом было прекращено в конце 60-х годов, когда появились специализированные языки имитационного моделирования GPSS, SIMAN, SLAM, SIMSCRIPT, SIMULA, GASP. Многие из них основаны на теории сетей очередей, в которых случайные заявки обслуживаются приборами. Специализированные языки содержат блоки, написанные на некотором универсальном языке и показывающие смену состояний процесса. В отличие от первого метода процесс отображается не системой уравнений, а взаимодействием отдельных динамических моделей Е1,...,Еn во времени и пространстве. Поведение системы описывается от события к событию, которыми являются начало или окончание технологической операции.
Наиболее распространен специализированный язык GPSS - основан на теории массового обслуживания, рассматривающей прохождение объектов через прибор с некоторым временем обслуживания. Закон движения объектов и время обслуживания могут изменяться по различным законам распределения случайных величин.
Язык GASP (General Activity Simulation Program) написан на языке FORTRAN и позволяет моделировать как дискретные, так и непрерывные системы. Специализированный язык SIMSCRIPT написан без использования универсального языки и предназначен только для дискретных систем.
Проблемно-ориентированные имитаторы на алгоритмических языках высокого уровня разрабатывают как альтернации специализированным языкам. В них предусмотрены стандартные формы для ввода структуры и параметров объекта моделирования.
После заполнения форм имитатор отображает процесс по шагам модельного времени ?t. Затем анализируют поведение объекта в нужные моменты времени. С идеей имитаторов хорошо совмещается математический аппарат сетей Петри. Его применяют при оценке эффективности систем, проверке протоколов передачи данных, анализе распределенных программных систем и баз данных, синтезе отказоустойчивых систем, построении учрежденческих информационных систем и логических программ, анализе гибких производственных систем, нейронных сетей и моделей принятия решений.
Недостатком имитационного моделирования является сложность технологической интерпретации результатов имитационных экспериментов, представленных большим набором чисел. Разработчику трудно выявлять ошибки в имитационной модели процесса. В последнее время создаются языки компьютерной анимации Proof Animation, ARENA, CINEMA, позволяющие отображать процесс имитации как движение оборудования на мнемосхеме технологического процесса. На экран можно выводить результаты имитационных экспериментов. Сначала анимацию использовали для визуального отображения процесса и проверки имитационной модели. Вскоре выявились новые возможности анимации. Не владея программированием, технолог может вводить характеристики оборудования, менять масштаб участков изображения, выводить на экран статистические показатели, быстро перемещаться во времени с целью анализа и прогноза ситуаций. Для анимации на языке Proof Animation сначала изображают неподвижные объекты: технологическое оборудование, надписи и таблицы. Затем рисуют динамические элементы (материальные потоки) и задают пути их движения среди неподвижных объектов.
Для имитации дискретных процессов применяют также прямую анимацию на языках TAYLOR II и WITNESS .
В системе TAYLOR II модель строят из элементов, продуктов и размещений. Элемент представляет собой место обработки продукта, место ожидания продукта в очереди или входной и выходной накопители. Пользователь размещает элементы и вводит их свойства: производительность, время цикла, время операции. После имитации выдается информация об изменениях в системе, количестве произведенных продуктов, степени использования элементов, времени ожидания Пользователь составляет мнемосхему процесса из стандартных изображений и организует взаимодействие движущихся элементов на экране компьютера. Имитационные эксперименты ведут прямо по мнемосхеме. После эксперимента на мнемосхеме отображаются его результаты в виде размера очереди, времени движения, использования оборудования
Визуальная интерактивная имитационная система WITNESS включает меню пользователя, набор простых команд, библиотеку визуальных модулей, числовые характеристики и гистограммы. Модули могут быть физическими и логическими. Физические элементы представляют собой машины, рабочих и траектории их перемещений Логические элементы включают законы распределения, гистограммы, переменные и функции. Для связи элементов используют действия, правила и выражения. Действия обеспечивают логику функционирования модели. Правила определяют порядок движения элементов. Выражения собирают данные для статистической обработки.
Приложения имитации и анимации в системах компьютерной автоматизации производства можно разделить на четыре группы (рис. 3.14).
В системах диспетчеризации SCADA (рис. 3.14, а) датчики состояния оборудования подают сигналы на мнемосхему работы системы, по которой диспетчер управляет процессом. Здесь нет имитационного моделирования, позволяющего ускорять или замедлять модель процесса. Создание имитационной модели процесса (рис.3.14, б) позволяет проектировщику или технологу проводить эксперименты с моделью и выбирать лучший вариант после интерпретации результатов моделирования. С помощью анимации процесса (рис. 3.14, в) специалист может лучше интерпретировать результаты имитационного моделирования. Компьютерная имитация может проводиться одновременно с реальным процессом (рис. 3.14, г). Наблюдая за процессом, диспетчер может прогнозировать последствия своих решений в режиме ускоренной имитации, возвращаясь затем к реальному времени и выбирая лучшее решение. Для того чтобы имитационное моделирование со временем не отклонялось от реального процесса, в модель надо вводить сигналы от датчиков состояния технологического оборудования (показано пунктиром на рис. 3.14, г).
Такие методы повышают эффективность проектирования и управления в системах компьютерной автоматизации производства.

41. Интегральный и структурный методы распознавания изображений.

Системы технического зрения (СТЗ) предоставляют 80 - 90 % информации о внешней среде. Их используют для распознавания и сортировки деталей, разбора деталей из навала и укладки в кассеты, измерения координат движущихся объектов, определения характерных точек и ориентации деталей при сборке, контроле качества обработки и покрытия деталей, контроле изделий. Выделяют распознающие, измерительные и обзорно-информационные СТЗ.
В эталонных методах изображение по точкам сравнивают с эталонами и отыскивают ближайший эталон. Синтаксические методы описывают объекты на языке формальной грамматики и классифицируют объект путем синтаксического анализа предложений.
Программное обеспечение СТЗ довольно сложно и включает модули:
- связи с технологическим оборудованием и отладочным комплексом;
- управления работой видеодатчика (преобразование изображения);
- вычисления признаков (описание детали стандартным набором параметров);
- распознавания (построение решающего правила, позволяющего путем сопоставления полученных параметров с имеющимися отнести деталь к известному классу);
- обучения (подготовка СТЗ к работе с новыми деталями). Объект распознается интегральным или структурным методами.
В интегральном методе изображение сканируют по строкам. Форму объекта определяют по значениям элементов в строках матрицы (рис. 2.43,а). В структурном методе используют топологические признаки: число отверстий, площадь или периметр объекта (рис. 2.43,6). В обоих методах изображение объекта сопоставляют с эталоном, введенным при обучении.
Сложность системы технического зрения увеличивается в следующем порядке:
- определение плоских координат известных объектов;
- распознавание отдельных двухмерных объектов;
- распознавание касающихся двухмерных объектов;
- распознавание отдельных трехмерных объектов;
- распознавание и анализ взаимного расположения групп трехмерных объектов (анализ сцен);
- распознавание трехмерных объектов, лежащих в беспорядке.

42. Гибкость, открытость и прозрачность производства

Гибкость - свойство производственной системы переходить в пределах своих технологических возможностей из одного состояния в другое с целью выполнения изменившегося заказа. В современном производстве гибкость обеспечивается путем замены механических элементов технологического оборудования на программное управление многофункциональным оборудованием. Различают четыре уровня гибкости:
- жесткое производство с одним состоянием для выпуска одинаковых изделий, например роторные линии;
- перенастраиваемое производство, которое переходит в новое состояние после остановки и переделки оборудования, например линия специализированных станков, выстроенная по порядку технологического процесса;
- переналаживаемое производство, которое переходит в новое состояние после остановки и регулировки оборудования, например линия универсальных станков с переналаживаемой оснасткой;
- гибкое производство, которое переходит в новое состояние после централизованного изменения программ автоматического управления оборудованием.
Основой гибкого производства являются групповая технология обработки деталей и система числового программного управления единицами оборудования с передачей программ от центральной ЭВМ [6].
Принцип групповой технологии заключается в группировании деталей по конструктивно - технологическому и габаритному подобию, общности технологического маршрута и базирования детали при обработке, идентичности материала. Для групп деталей разрабатывают технологические маршруты прохождения через одну линию обработки с использованием общих участков для разных групп (рис. 3.15, б). Общие участки Л, 3, К, У переналаживаются на обработку разных групп деталей. Производительность групповой технологии ниже, чем традиционной, поскольку переналадка общих участков требует дополнительного времени. Однако при групповой технологии сокращают число единиц оборудования и занимаемую площадь. Ее главным преимуществом является возможность централизованного перепрограммирования технологической линии на обработку разных партий деталей.
По мере повышения уровня гибкости производительность производства снижается, однако появляется возможность быстро реагировать на изменяющийся спрос.
Информационные технологии автоматизации придают производству свойство прозрачности - возможности получения информации о любом объекте с любого уровня управления предприятием в режиме реального времени. Такая возможность обеспечивается благодаря соединению разных уровней управления промышленными шинами с выходом в Интернет. Менеджер и мастер участка могут быстро получать информацию о работе любой единицы оборудования и предприятия в целом. Так, ремонтник предприятия может получить инструкции по устранению неисправности, выйдя на сервер разработчика оборудования, размещенный в сеть Интернет.

43. Виды дискретных исполнительных устройств.

Они предназначены для управления приводами перемещения механических устройств объекта управления в зависимости от электрических команд управляющего устройства (рис. 2.4,6).
Дискретные исполнительные устройства имеют два состояния: открыто или закрыто; включено или отключено.
Обозначение
Тип Реле Электропневмоклапан Электрогидрораспределитель
Действие Замыкание контактов Подача воздуха Подача жидкости
Привод Электродвигатель Пневмоцилиндр Гидроцилиндр
Достоинства Простота работы и обслуживания, дешевизна, высокий коэффициент усиления, нечувствительность к температуре Доступность воздуха, нечувствительность к перегрузкам и температуре, безопасность, экологичностъ Высокий коэффициент усиления, точное позиционирование, хорошая управляемость, унификация
Недостатки Необходимость регулировки, обгорание и залипание контактов, чувствительность к пыли и влажности Чувствительность к пыли, нестабильность скорости, малые нагрузки, шум, потери в воздухопроводе
Зависимость от температуры, утечек и загрязнений, особые требования к изготовлению, колебания при остановке
Применение Локомотивы, текстильная индустрия, электростанции, насосы, прокатные станы, станки Монтаж, металлообработка, деревообработка, переработка пластмасс, строительство, транспорт Станки, строительство и транспорт, гидроподъёмники, корабельная техника

44. Управление оборудованием через Интернет. Положительные и отрицательные стороны.

На современных предприятиях имеется корпоративная сеть Интранет, как правило, имеющая выход во всемирную сеть, Интернет. Она обеспечивает доступ менеджеров к данным АСУП. В сети Интранет обычно используют протокол Ethernet TCP/IP. Возникли идеи ввода в программируемый контроллер, управляющий единицей технологического оборудования, собственного Web - сервера, соединенного с Intranet [7].
Это позволило бы получать данные о текущих параметрах процесса любому специалисту, имеющему доступ в сеть Интранет предприятия. Поскольку сеть Интранет предприятия соединена с сетью Интернет, появляется возможность анализа и управления процессом из любой точки Земли. Отпадает необходимость в передаче данных через SCADA. Новая концепция названа "Transparent Factory" (прозрачное производство). Она реализуется следующим образом (рис 3.18).
Первичные устройства автоматики (датчики, исполнительные устройства, программируемые контроллеры) подключают к локальной промышленной сети LAN (Local Area Network), построенной по протоколу Ethernet TCP/IP. Эту сеть через контроллеры со встроенными Web - серверами или через маршрутизаторы подключают к сети Интранет предприятия. Маршрутизаторы нужны для прямого подключения первичных устройств объекта к сети. На этом уровне инженеры и технологи могут анализировать первичную информацию и управлять процессом. Сеть Интранет предприятия через маршрутизатор соединяют с сетью Интранет корпорации, которая через защитный экран соединяется с сетью Интернет. Менеджеры корпорации отправляют запрос на информацию через маршрутизатор в сеть Интранет предприятия. Если запрос касается текущей информации о процессе, он без преобразований доходит до локальной сети LAN и любого устройства локальной автоматики. Ответ снизу проходит через все уровни, сохраняя присвоенный ему внизу формат Ethernet TCP/IP. Благодаря встроенным в контроллеры web-серверам появляются новые возможности управления:
- диагностика устройств управления с помощью встроенных в сервер Web - страниц;
- получение данных в реальном времени;
- отображение данных в виде мнемосхем, графиков и таблиц Web - формата;
- привлечение необходимой информации с любых серверов Интернет, например диагностика устройств автоматики с вызовом инструкций производителя из другой страны.
Главным преимуществом концепции "Transparent Factory" является так называемая "Открытость для бизнеса" (Open for Business) или возможность применения в системах автоматизации продукции любых производителей. Специалисты, реализующие системы автоматизации на удаленных предприятиях, могут с помощью встроенных; в оборудование Web-серверов вести обслуживание и диагностику систем из своего офиса. Разработчики оборудования получают возможность мониторинга его работы по всему миру. Эффективно осуществляется управление объектами из центра корпорации, например контроль и управление газоперекачивающими станциями газопровода.

45. Устройства сопряжения внешних устройств с управляющей микроЭВМ - НЕТ!!!.

46. Принципы эффективной автоматизации. Несистемный и системный подходы. Системная интеграция.

Автоматизацию производства часто сводят к замене человека устройствами автоматики. При этом новые возможности автоматизации ограничиваются низким потенциалом приспособленной к человеку технологии; малыми рабочими скоростями, невозможностью одновременного выполнения нескольких операций, неточной информацией о процессе, зависимостью качества продукции от квалификации рабочих.
Грамотная стратегия автоматизации сводится не к высвобождению человека в существующем производстве, а к созданию высокоэффективных технологий с автоматически работающим оборудованием, которые невозможно применять без автоматизации. В результате обобщения опыта автоматизации производства выработаны следующие принципы:
- цель автоматизации - не замена ручного труда, а повышение эффективности производства. Экономия зарплаты при автоматизации составляет 10-15 % экономического эффекта, в то время как 60-70 % эффекта образуется за счет повышения производительности производства и 15-20 % - за счет улучшения качества продукции. Применение роботов в процессах сварки, окраски или гальванической обработки повышает скорость и качество операций. Замена роботом рабочего по загрузке станка без изменения технологий увеличивает время рабочего цикла при небольшой экономии зарплаты;
- автоматизация должна охватывать технологическую цепь целиком, включая обслуживание и обеспечение кадрами. В отличие от ручного производства, отказ одного автоматизированного звена приведет к остановке всей технологической цепи;
- средства автоматизации следует применять не там, где их можно приспособить к производству, а там, где без них нельзя обойтись;
- первоочередными являются такие объекты автоматизации, где человек неспособен конкурировать с автоматическими устройствами;
- внедрение непроверенных технических решений и ненадежных устройств автоматики дискредитирует автоматизацию.
Особое значение приобретает системный подход к компьютерной автоматизации производства.
При несистемном подходе сначала разрабатывают элементы системы, из которых компонуют систему в целом (рис.4.1.а). В процессе компоновки некоторые элементы не согласуются друг с другом или не соответствуют требованиям к системе, поэтому они заменяются.
Системный подход отличается тем, что сначала выдвигают концепцию системы в целом (рис.4.1,6). Затем разбивают систему на элементы и разрабатывают каждый элемент согласно концепции системы. После разработки элементов их объединяют в реальную систему.
Система обладает свойством эмерджентности. если объединение элементов приобретает новое свойство, которого не было у суммы элементов. Например, библиотека отличается от горы книг свойством эмерджентности.
В практике автоматизации отечественных предприятий выбирают одну из стратегий, перечисленных в порядке снижения затрат:
1)поставка и монтаж зарубежной фирмой-поставщиком системы автоматизации "под ключ"; 2)поставка зарубежной фирмой типовой системы автоматизации с выполнением ее монтажа и наладки местной специализированной организацией;3)привлечение зарубежной инжиниринговой фирмы для разработки и внедрения системы автоматизации на предприятии;4)разработка и внедрение системы автоматизации на базе зарубежных устройств силами отечественной инжиниринговой фирмы.
Первый или второй варианты часто выбирают, если оборудование, например, на линии разлива или упаковки, не может работать без автоматизации. После ввода автоматизированной линии в эксплуатацию возникает необходимость поддержания работоспособности оборудования, изменения алгоритмов управления, быстрого устранения отказов. Вызов представителей фирмы приводит к значительным потерям времени и денег. В третьем варианте специалисты предприятия, которым предстоит эксплуатация системы автоматизации, отодвигаются от ее предварительного изучения.
Опыт показывает, что в большинстве случаев самым выгодным является четвертый вариант, позволяющий учесть особенности объекта автоматизации и сократить эксплуатационные затраты. Процесс выработки концепции автоматизации предприятия, подбора технических средств и разработки проекта системы автоматизации называют системной интеграцией. Поэтому в системах автоматизации стали применять зарубежную технику и программное обеспечение, которые могли совмещаться друг с другом и соответствовали международным стандартам промышленных шин. Такие системы месяцами не требовали ремонта и легко модернизировались на предприятии.

47. Способы гальванической развязки сигналов. Восстановление формы импульсов. Мульти-плексирование и демультиплексирование АЦП и ЦАП.

Для подключения датчиков и исполнительных устройств к быстродействующему микропроцессорному устройству управления необходимы защита от дребезга контактов на входе устройства, гальваническая развязка входных и выходных сигналов, преобразование импульсов напряжения входных устройств в форму внутренних сигналов микропроцессора, преобразование выходных сигналов в напряжения управления исполнительными устройствами, аналого-цифровое (АЦП) и цифро-аналоговое (ЦАП) преобразования (рис. 2.51).
Дребезг контактов - это кратковременное отскакивание контактов датчика друг от друга после их первого замыкания. Продолжительность отскакивания достаточна для перехода быстродействующего устройства управления, к которому подключен датчик, в непредусмотренное алгоритмом состояние. Для защиты от дребезга контактов вводят инерционные элементы на входе (а) или специальные подпрограммы (б) в программе работы порта ввода (рис. 2.52).
Гальваническая развязка между датчиками и устройством управления необходима для защиты микроЭВМ от бросков напряжения на входе, например при попадании высокого напряжения на линию связи, а также для исключения связи датчиков через устройство управления. В качестве устройств гальванической развязки применяют оптическую пару, реле, трансформатор или геркон, не имеющие электрического контакта между входом и выходом (рис.2.53). Эти устройства часто дополняют индикаторами сигнала.
Формирование искаженных линией связи сигналов от разнообразных датчиков в уровень внутреннего напряжения устройства управления осуществляют с помощью триггера (рис. 2.54). При повышении напряжения на входе выше заданного уровня триггер переходит в состояние "1", при снижении - в состояние "0".
Для защиты от импульсных помех в линии связи применяют интегратор (рис. 2.55). При появлении импульсной помехи в интегратор, происходят заряд и разряд конденсатора.
Особенно трудно ввести в цифровое устройство управления аналоговые сигналы датчиков. Чтобы уменьшить стоимость входных устройств, применяют поочередную обработку сигналов нескольких датчиков на одном входе устройства управления с помощью мультиплексора, схемы выборки-запоминания, аналого-цифрового преобразователя (АЦП) и порта ввода-вывода (рис.2.56).
Порт ввода-вывода управляет мультиплексором, поочередно подключающим датчики к входу управляющего устройства, и схемой выборки-запоминания, сохраняющей сигнал на время его преобразования в цифровую форму с помощью АЦП. Для исключения потерь информации при преобразовании аналогового сигнала датчика в цифровую форму преобразование сигнала надо проводить как можно чаще, но это потребует увеличения быстродействия АЦП. Поэтому частоту выборки сигнала задают по правилу Котельникова: аналоговый сигнал восстанавливается полностью, если частота выборки его значений вдвое больше максимальной частоты в спектре сигнала. Цифровой сигнал поступает в порт ввода - вывода, который выводит его на шины микропроцессора, а затем включает мультиплексор, схему выборки - запоминания и АЦП для приема сигнала следующего датчика.
Простой аналого-цифровой преобразователь параллельного типа состоит из нескольких параллельно включенных компараторов К1,.., Кn, каждый из которых с помощью резисторов R1,.., Rn настроен на определенный уровень входного напряжения Uвх (рис. 2.57). Выходы компараторов соединены с входом шифратора Ш, преобразующего набор двухпозиционных состояний компараторов в цифровой код выходного напряжения.
Цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) формирует аналоговое напряжение в зависимости от цифрового кода на входе. Он может быть в виде усилителя У, вход которого соединен с делителями напряжения, число которых равно числу разрядов входного кода (рис.2.58).

48. Компьютерный учет расхода энергии. Источники эффективности.

При плановой экономике доля энергоресурсов в себестоимости продукции составляла единицы процентов и не влияла па конкурентоспособность производства. В настоящее время затраты па электроэнергию, газ, тепло и воду составляют 20-30 %, а для энергоемких производств - 40-50 % себестоимости. Создание системы компьютерного контроля и учета расхода энергоресурсов становится для предприятия необходимым.
Расчет предприятия с поставщиком энергоресурсов может вестись по одной из трех схем (рис.4.2):
- усреднение графика энергопотребления за расчетный период T (рис.4.2,а);
- оплата энергии до некоторого лимита по обычной ставке, а выше лимита - по повышенной ставке (рис. 4.2,6);
- разделение потребляемой мощности на несколько уровней с дифференцированной для каждого уровня оплатой расхода энергии (рис. 4.2,в).
В одноставочной схеме счетчик энергии учитывает общий расход энергии Рср, хотя ее стоимость зависит от времени суток. Защищаясь от штрафов за неполную оплату, предприятие вынуждено переплачивать поставщику энергии. По мере удорожания энергии объем переплаты возрастает.
В двухставочной схеме поставщик и потребитель энергии согласовывают некий лимит потребления Рлим. При его превышении стоимость энергии для потребителя резко возрастает. Для такой формы расчета, кроме счетчика энергии, необходим регистратор времени превышения лимита.
Многостаночная схема позволяет дифференцировать оплату энергии в зависимости от уровня ее потребления I, II, III, согласовывать оплату с учетом противоположных интересов поставщика и потребителя энергии, избегать лишних затрат потребителя на оплату энергии. Но ее применение невозможно без автоматизированной системы контроля и учета расхода энергии. В такой системе могут быть дополнительно учтены специальные тарифы, например за превышение реактивной мощности.
Система включает три уровня (рис.4.3):
- уровень первичных параметров энергопотребления (расход мощность, давление, температура);
- уровень дифференцированного сбора, обработки и учета информации по потребителям с помощью контроллеров;
- уровень представления информации с помощью персонального компьютера, на котором ведут итоговую обработку информации, ее отображение и документирование в виде, удобном для анализа, принятия решений и расчетов с поставщиком.
На нижнем уровне в качестве датчиков расхода электроэнергии применяют измерительные трансформаторы тока и напряжения, электрические счетчики. Эту информацию, как и данные о расходе других видов энергии со стандартных датчиков, передают на входы программируемых контроллеров второго уровня ПЛК. С их помощью учитывают расход энергии по каждому потребителю. С выходов контроллеров информацию через провода, телефонную линию или радиоканал передают в персональный компьютер главного энергетика.
Автоматизированные системы контроля и учета энергии делят на коммерческие и технические. Коммерческие системы предназначены для согласования расчетов между потребителем и поставщиком. В них применяют сертифицированные устройства и методы учета потребления энергии для предприятия в целом. В технических системах осуществляют текущий анализ потребления энергии объектами предприятия и применяют обычные устройства учета.
В полном варианте компьютерная система контроля и учета энергии обеспечивает [8]:
- коммерческий и технический учет потребления энергии по предприятию и подразделениям для внешних и внутренних расчетов;
- контроль потребления энергоресурсов по видам, объектам и времени;
- обнаружение и сигнализацию об отклонениях от установленного энергопотребления;
- прогнозирование потребления энергии по отдельным потребителям;
- автоматическое распределение энергопотребления с учетом приоритетов потребителей;
- обеспечение расчетов между внутренними потребителями;
- точный расчет с потребителями низших уровней.
Благодаря быстрой окупаемости компьютерный контроль и учет энергопотребления стал первым приложением компьютерной автоматизации производства. Для большинства внедренных систем экономический эффект достигает 15-20 % от затрат на годовое энергопотребление предприятия при сроке окупаемости системы 6-9 месяцев.
За счет чего он образуется? Энергопотребление предприятия содержит базовую и организационно-техническую составляющие. Первая составляющая определяется энергопотреблением установленного технологического оборудования и не может быть снижена с помощью автоматизированного учета и контроля. Вторая состоит из шести частей:
- договорной, связанной с расчетом не по фактическому потреблении энергии, а по согласованному с поставщиком;
- тарифной, связанной с расчетом по фактическому потреблению с невыгодным для потребителя тарифом из-за отсутствия у него системы дифференцированного учета расхода;
- режимно-тарифной, связанной с уходом от выгодного тарифа из-за неоптимального подключения неприоритетных потребителей, на пример включения насосов днем, а не ночью;
- технологической, связанной с несогласованным между объектами потреблением;
- личностной, связанной с использованием оборудования в личных целях;
- бесхозной, связанной с незаинтересованностью персонала в экономии энергии.
Вторая составляющая достигает 30 % общего потребления энергии и может быть значительно уменьшена с помощью компьютерного учета и контроля энергопотребления.

49. Параллельная и последовательная передача информации. Виды помех и обеспечение помехоустойчивости при передаче информации.

При параллельной передаче значение каждого разряда кода и формации передается от передатчика А по отдельному проводу к соответствующему разряду приемника В (рис. 2.59, а). Параллельный интерфейс прост и надежен, но требует многопроводного соединения передатчика с приемником. При последовательной передаче приемник и передатчик соединяют одним проводом, который с помощью синхронных коммутаторов C1, С2 подключают к одинаковым разрядам передатчика А и приемника В (рис. 2.59, б). Последовательный интерфейс обеспечивает передачу информации по одному проводу при обеспечении надежной синхронизации коммутаторов.
Датчики рассредоточены на объекте автоматизации и связаны с управляющим устройством через длинные линии связи, на которые воздействуют помехи, искажая сигналы датчиков. Взаимные помехи рядом расположенных объектов образуются за счет их емкостной или индуктивной связи. В первом случае металлические корпуса двух систем, сообщающиеся через воздух, образуют конденсатор (рис. 2.60, а), через который в линию связи проходят помехи переменного тока. Во втором случае индуктивность источника образует электромагнитное поле, изменяющее индуктивность приемника.
Для подавления взаимных помех преобразователь (датчик) П и вход устройства управления УУ соединяют коаксиальным кабелем К, представляющим собой провод внутри экранирующей оплетки (рис. 2.61). Экран заземляют в одной точке, обычно на входе устройства управления.
Самым дешевым способом подавления помех является скручивание пары проводов от преобразователя П к устройству управления УУ (рис. 2.62). В каждой точке пересечения проводов помехи взаимно уничтожаются, что приводит к подавлению помех на входе устройства управления УУ.
Кроме взаимных помех на линию связи воздействуют случайные помехи. Они характеризуются отношением:
где Vc - среднее напряжение сигнала; Vn- среднее напряжение помехи.
Если уровень помехи близок к сигналу датчика, то к выходу датчика подключают усилитель, соединенный с началом линии связи. Самой высокой пропускной способностью и помехоустойчивостью обладает волоконно-оптическая линия связи. В ней электрические сигналы преобразуют в оптические импульсы, которые передают по оптическому волокну, а затем преобразуют в электрические сигналы.
В современных системах автоматизации чаще всего применяют связь через витую пару проводов, к которой легко подключать дополнительные устройства автоматизации. Для обмена информацией между двумя из сотен устройств, подключенных к витой паре, разрабатывают протоколы промышленных шин.

50. Компьютерная автоматизация в машино-строении. Концепция САПР/АСТПП/ГПС.

Машиностроение оказалось наиболее подготовленным к внедрению компьютерной автоматизации производства, поскольку в нем уже применялись оборудование с числовым программным управлением (ЧПУ) и групповая технология производства. Появились системы прямого числовою программного управления DNC, при котором программы управления передают от центральной ЭВМ к нескольким единицам оборудования, выполняющим законченный технологический процесс. Стала развиваться концепция САПР/АСТПП/ГПС (CAD/CAM)- система автоматизированного проектирования / автоматизированная система технологической подготовки производства / гибкая производственная система. Ее отличие от традиционной системы САПР+ACTПП+ГПС состоит в том, что все три подсистемы имеют общую базу данных (рис. 4.5).
Это позволило сопровождать процесс проектирования, изготовления и отгрузки изделий одновременным перемещением блока информации об этом изделии. Три подсистемы стали взаимно корректировать стадии проектирования и изготовления изделия через каналы обмена информацией.
Компьютерно-автоматизированное производство в машиностроении содержит подсистемы (рис.4.6):
- оперативно - календарного планирования (ОКП);
- технологической подготовки производства (ТПП);
- управления инструментальным обеспечением (УИО);
- управления технологическим процессом (УТП);
- управления автоматизированной транспортно - складской системой (УАТСС).
1 - задание на подготовку технологического процесса (код детали номер операции, код оборудования),
2 - технологические документы (карта наладки, управляющая программа),
3 - задание на подготовку комплектов инструментов (срок обработки и подготовки, код комплекта, тип и число деталей, номер маршрута, код оборудования),
4 - результат подготовки инструмента (код комплекта, готовность),
5 - сменно - суточное задание (номер партии, число деталей, коды станка и управляющей программы),
6 - рапорт о выполнении сменно - суточного задания (номер партии, число обработанных и бракованных деталей код станка, завершение обработки партии),
7 - данные о состоянии оборудования (авария, поломка инструмента, брак, начало и окончание работы по управляющей программе),
8 - задание на транспортировку и складирование (код объекта, адреса ячеек "откуда" и "куда"),
9 - данные о содержании склада (адрес и содержимое ячейки),
10 - результат выполнения задания на транспортировку и складирование (адреса ячеек "откуда" и "куда").
Обмен информацией между компьютерами этих подсистем происходит в следующем порядке [6]. При поступлении заказа на партию определенных деталей подсистема оперативно-календарного планирования ОКП формирует (1,3) и принимает выполненные (2,4) задания на подготовку технологического процесса в подсистемах технологической подготовки производства ТИП и управления инструментальным обеспечением УИО. Затем ОКП передает сменно - суточное задание для комплекса технологического оборудования в подсистеме УТП (5) и контролирует ею выполнение (6). В ходе выполнения задания ОКП следит за состоянием оборудования (7). При выполнении задания УТП обменивается заготовками, полуфабрикатами и готовыми изделиями с подсистемой управления транспортно-складской системой (УАТСС), формируя запрос на складирование (8), получая данные о состоянии склада (9) и результат выполнения запроса (10). После выпуска заказанной партии УТП подает в ОКП рапорт о выполнении сменно-суточного задания (6).
Прохождение заказанной партии через все этапы проектирования и изготовления сопровождается синхронной передачей информации о партии, содержащей коды инструментов, управляющих программ, чертежей полуфабрикатов и деталей. Например, код инструментов используют для учета его наличия и подачи заявок на склад, подготовки и замены инструментов, переналадки станков, адресации ячеек автоматизированного склада и инструментального магазина. Код управляющей программы содержит информацию о размере партии, номере детали, технологическом маршруте, номере управляющей программы для каждой единицы оборудования.

51. Мехатроника. Три поколения роботов.

Возможность управления перемещением механических элементов с помощью микроэлектронных устройств привела к появлению новой области техники - мехатроники. Термин "мехатроника" впервые бы применен в 1971 г. японскими разработчиками роботов. Мехатроника объединяет термины "механика" и "электроника", что означает механику, управляемую электроникой. Это могут быть принтеры, физиотерапевтические аппараты, автоматические тележки. К устройствам мехатроники в автоматизированном производстве относятся промышленные роботы, станки с числовым программным управлением, комплектные приводы для точных перемещений механических элементов. Как новая область техники, мехатроника находится на стыке микроэлектронного управления, информационных систем и механических систем (рис. 3.1).
Мехатронная система состоит из механических элементов с приводами перемещений, датчиков, исполнительных устройств и перепрограммируемого устройства управления (рис. 3.2).
Датчики контролируют положение механических элементов объекта управления. Их сигналы поступают на вход устройства управления и перерабатываются по заданному алгоритму в команды управления исполнительными устройствами (контакторами, электропневматическими клапанами, электрогидрораспределителями). Мехатронная система обеспечивает перемещение механических элементов с погрешностью позиционирования до 10-9 м. Перемещение осуществляют в режиме реального времени согласно требованиям:
- своевременности - выполнению цикла управления без задержки технологического цикла;
- одновременности - согласованию времени перемещения нескольких механических элементов;
- устойчивости к внешним воздействиям - адаптации управления к изменениям внешней среды.
Для выполнения этих требований устройство управления должно учитывать приоритеты задач, решать несколько задач одновременно, прерывать решение задачи на время адаптации к внешнему воздействию. Время реакции на внешние воздействия составляет микросекунды.
Примером мехатронной системы является металлорежущий станок с числовым программным управлением.
Хорошей иллюстрацией идей мехатроники являются промышленные роботы (рис.3.4), в которых перепрограммируемое устройство управления обеспечивает заданные перемещения звеньев манипулятора |1|.
От других механизмов робот отличается двумя свойствами:
- многофункциональной механической конструкцией, обеспечивающей свободное перемещение рабочего органа в пространстве;
- перепрограммируемой системой управления движением рабочего органа.
Выделяют три поколения промышленных роботов:
1. программные - датчики отсутствуют, устройство управления действует по жестко заданной программе, которая может быть легко перестроена на другие операции в пределах возможностей данного робота;
2. адаптивные - робот с помощью датчиков очувствления воспринимает обстановку и приспосабливается к ней путем выбора подходящей программы из имеющегося набора;
3. интеллектные - робот с помощью развитой системы очувствления распознает обстановку и строит упрощенную модель среды, которая корректируется в процессе управления для достижения заданной цели.
Поколения роботов не сменяют друг друга, а развиваются одновременно. Применение робота того или иного поколения в технологическом процессе определяется сложностью и изменчивостью среды функционирования (табл. 3.1).
ПРОГРАММНЫЕ АДАПТИВНЫЕ ИНТЕЛЕКТННЫЕ
Загружать или разгружать технологическое оборудование.
Окрашивать изделия простой формы.
Резать плоские материалы. Манипулировать рабочим инструментом.
Вести точечную сварку.
Играть на пианино. Собирать детали в изделие. Контролировать качество изготовления.
Вести дуговую сварку. Вести зачистку и шлифование. Наносить покрытия на изделия сложной формы. Сортировать изделия. Перемещаться по заданной траектории.
Резать материалы сложной формы.
Переносить хрупкие предметы. Мыть окна. Выполнять заказы в кафе. Перемещаться по неизвестной местности.
Отыскивать заданные предметы.
Находить наружные и внутренние дефекты. Распознавать препятствия. Зачерпывать горную массу.
Программные роботы могут работать при фиксированном состоянии среды. Адаптивные роботы применяются в тех случаях, когда можно перечислить возможные состояния среды и для каждого состояния задать программу управления. Интеллектные роботы строят модель сложной среды путем обучения, поэтому их применение будет оправдано в тех случаях, когда невозможно предусмотреть изменен и среды при выполнении технологических операций.

52. Схема информационного взаимодействия подсистем ОКП, УИО, ТПП, УТП и АТСС в гибком производстве.

Компьютерно-автоматизированное производство в машиностроении содержит подсистемы (рис.4.6):
- оперативно - календарного планирования (ОКП);
- технологической подготовки производства (ТПП);
- управления инструментальным обеспечением (УИО);
- управления технологическим процессом (УТП);
- управления автоматизированной транспортно - складской системой (УАТСС).
1 - задание на подготовку технологического процесса (код детали номер операции, код оборудования),
2 - технологические документы (карта наладки, управляющая программа),
3 - задание на подготовку комплектов инструментов (срок обработки и подготовки, код комплекта, тип и число деталей, номер маршрута, код оборудования),
4 - результат подготовки инструмента (код комплекта, готовность),
5 - сменно - суточное задание (номер партии, число деталей, коды станка и управляющей программы),
6 - рапорт о выполнении сменно - суточного задания (номер партии, число обработанных и бракованных деталей код станка, завершение обработки партии),
7 - данные о состоянии оборудования (авария, поломка инструмента, брак, начало и окончание работы по управляющей программе),
8 - задание на транспортировку и складирование (код объекта, адреса ячеек "откуда" и "куда"),
9 - данные о содержании склада (адрес и содержимое ячейки),
10 - результат выполнения задания на транспортировку и складирование (адреса ячеек "откуда" и "куда").
Обмен информацией между компьютерами этих подсистем происходит в следующем порядке [6]. При поступлении заказа на партию определенных деталей подсистема оперативно-календарного планирования ОКП формирует (1,3) и принимает выполненные (2,4) задания на подготовку технологического процесса в подсистемах технологической подготовки производства ТИП и управления инструментальным обеспечением УИО. Затем ОКП передает сменно - суточное задание для комплекса технологического оборудования в подсистеме УТП (5) и контролирует ею выполнение (6). В ходе выполнения задания ОКП следит за состоянием оборудования (7). При выполнении задания УТП обменивается заготовками, полуфабрикатами и готовыми изделиями с подсистемой управления транспортно-складской системой (УАТСС), формируя запрос на складирование (8), получая данные о состоянии склада (9) и результат выполнения запроса (10). После выпуска заказанной партии УТП подает в ОКП рапорт о выполнении сменно-суточного задания (6).
Прохождение заказанной партии через все этапы проектирования и изготовления сопровождается синхронной передачей информации о партии, содержащей коды инструментов, управляющих программ, чертежей полуфабрикатов и деталей. Например, код инструментов используют для учета его наличия и подачи заявок на склад, подготовки и замены инструментов, переналадки станков, адресации ячеек автоматизированного склада и инструментального магазина. Код управляющей программы содержит информацию о размере партии, номере детали, технологическом маршруте, номере управляющей программы для каждой единицы оборудования.

53. Четыре класса роботов. Степени подвижности в соединении звеньев.

В зависимости от выполняемых задач различают манипуляционные, мобильные, информационные и управляющие роботы.
Манипуляционный робот предназначен для выполнения механических операций, подобных тем, которые выполняются человеком вручную, но с возможным изменением масштаба, размеров и усилий (например, взятие и перенос предмета, перемещение по сложным траекториям, работа с любыми инструментами, схватами, сварочными и красящими головками и др.). Большинство промышленных роботов это автоматические манипуляторы грузоподъемностью до 10 кг с 3-6 степенями подвижности. В них отсутствуют датчики очувствления, позволяющие контролировать состояние робота и внешней среды.
Мобильный робот предназначен для перемещения грузов по заданной траектории. Различают исследовательские (доставка проб из недоступных мест), аварийно - спасательные (вывоз людей в аварийных ситуациях), специализированные (доставка взрывчатого материала к месту взрыва) и технологические мобильные роботы. Создание технологических роботов для перевозки грузов между единицами автоматизированного оборудования позволило организовать гибкое автоматизированное производство. Транспортный робот или робокар представляет собой тележку с автономным питанием и бортовой системой управления, движущуюся между станками и автоматизированным складом. В местах остановки робокара манипуляторы загружают или разгружают его платформу. Траектория движения робокара задается механической трассой, излучающим проводником или светоотражающей полосой. Для движения по заданному маршруту используют также автономную навигацию с помощью установленных на борту робокара дальномеров или системы технического зрения.
Информационный робот расширяет возможности органов чувств человека. Он представляет собой самоходную дистанционно управляемую тележку с бортовыми телекамерами, пробоотборниками, измерительными приборами. Недоступные человеку возможности открываются при установке на робокаре тепловизоров, отображающих распределение теплового поля, или интроскопов, способных наблюдать объекты через непрозрачные преграды.
Управляющий робот имитирует умственную деятельность человека при управлении технологическим оборудованием. Его применение особенно эффективно при ограничении технологических возможностей оборудования психофизиологическими особенностями человека, например, плохой способностью воспринимать и анализировать быстрые изменения ситуаций.

54. Структура компьютерной автоматизации управления плавильной печью.

Положение электродов определяют измерителями линейных перемещений с установкой контроллером заданных верхнего и нижнего положений электродов. Температуру воздуха вокруг электрода измеряют термосопротивлением, а температуру самого электрода - термопарой. По сигналам этих датчиков контроллер управляет подачей воздух для обдува электродов. Управление перемещением электродов ведут зависимости от напряжения и тока в первичной и вторичной обмотках трансформатора. Положение и температуру электродов отображают на панели оператора.

55. Системы координат манипуляторов. Прямая и обратная задачи кинематики манипуляторов.

Кинематика манипуляторов строится в цилиндрической, сферической, угловой или прямоугольной системах координат (рис. 3.5).
Различают три вида управления движением механического элемента между начальной А и конечной В точками (рис. 3.6):
а) цикловое (от начала к концу), при котором не контролируются промежуточные точки траектории движения;
б) позиционное (от точки к точке), при котором контролируется прохождение звена через заданные точки на траектории движения;
в) контурное (непрерывный путь), при котором контролируется прохождение звена через все точки траектории движения.
Перемещение механического звена с помощью микроэлектронного устройства управления характеризуется следующими показателями:
- числом степеней подвижности - числом плоскостей координат, в которых может перемещаться механический элемент;
- погрешностью позиционирования - максимальным отклонением механического элемента после его перемещения от положения, заданного управляющей программой;
- погрешностью отработки траектории - максимальным отклонением траектории движения механического элемента от траектории, заданной программой управления;
- рабочей зоной - пространством, в котором может находиться движущийся механический элемент;
- зоной обслуживания - частью рабочей зоны, в которой механический элемент выполняет технологические операции.
При управлении механическим элементом различают прямую и обратную задачи кинематики. В прямой задаче задают взаимные перемещения в соединениях звеньев механического элемента, для которых рассчитывают положение, скорость и ускорение рабочего органа. Цель расчета - определение геометрических характеристик рабочей зоны механического элемента при конструктивных ограничениях на изменения координат звеньев, оценка погрешности позиционирования и отработки траектории при заданных погрешностях перемещений звеньев. В обратной задаче задают положение, скорость и ускорение рабочего органа, а затем рассчитывают перемещения в соединениях звеньев механического элемента.
Обратная задача встречается в мехатронике чаще, поскольку и практике сначала определяют положение рабочего органа, а затем находят взаимные перемещения звеньев для вывода рабочего органа в заданное положение. Сложность прямой и обратной задач кинематики состоит в привязке системы координат каждого соединения звеньев к общей системе координат и расчете динамики движения звеньев с учетом переменных нагрузок, сил инерции и трения. Решение прямой обратной задач кинематики в режиме реального времени с целью формирования команд управления приводами звеньев часто невозможно из-за большой размерности системы дифференциальных уравнений.

56. Структура компьютерной автоматизации пищевого производства.

Пивоваренные, хлебобулочные, молочные, мясоперерабатывающие, сахарные и другие предприятия быстрее других адаптируются к рыночной экономике, стремясь повысить качество продукции и снизить ее себестоимость путем применения высокопроизводительных автоматизированных технологических линий.
В качестве примера рассмотрим систему автоматизации крупнейшего в СНГ спиртового комбината в Семипалатинске [10]. Система имеет 128 аналоговых и 238 дискретных входов, 109 аналоговых и 73 дискретных выходов. Она обеспечивает:
- контроль технологических параметров и их графическую архивацию:
- управление процессом в дистанционном или программном режимах, режиме автоматического регулирования параметров;
- контроль состояния электроприводов оборудования;
- звуковую и световую сигнализацию о выходе параметров за установленные пределы;
- регистрацию аварийных сообщений;
- контроль действий оператора.
Производство состоит из трех отделений, каждое из которых имеет три уровня автоматизации, связанные между собой сетью FIPWAY (рис. 4.9).
На уровне оборудования контроллеры (ПЛК) по сигналам датчиков ведут автоматическое управление исполнительными устройствами технологического оборудования. На уровне операторов отображают работу оборудования в целом и ведут учет технологических параметров по каждому отделению. На уровне АСУ производством осуществляют контроль производства в целом. Сеть Ethernet для этого уровня соединена с шиной FIPWAY нижних уровней через маршрутизатор М.
Подсистема варки сырья ведет:
- контроль и регулирование температуры и расхода воды для замеса сырья;
- контроль и регулирование плотности замеса; контроль и управление температурным режимом;
- управление потоком замеса через технологические емкости;
- управление отбором сусла для следующего отделения;
- контроль работы электроприводов и насосов.
Подсистема брожения ведет; контроль и регулирование температуры в дрожжевых и бродильных аппаратах; контроль уровня и времени заполнения, брожения и опорожнения бродильных аппаратов; контроль и управление подачей браги; контроль и управление электроприводами и насосами.
Подсистема ректификации ведет: контроль и регулирование расхода браги и воды, отвода барды; контроль и управление насосами.
Разработка и внедрение системы на комбинате заняли менее шести месяцев.

57. Цикловое, позиционное и контурное управление движением звеньев манипулятора. Погрешность позиционирования, погрешность отработки траектории, рабочая зона, зона обслуживания.

Для перемещения механических звеньев используют пневматические, гидравлические или электрические приводы. При цикловом управлении перемещениями элементов используют пневмопривод, отличающийся простотой и надежностью, высоким быстродействием, точным позиционированием по механическим упорам в конце движения, возможностью работы в агрессивных средах, дешевизной. Его недостатки: зависимость скорости перемещения от нагрузки вследствие сжимаемости воздуха, невозможность остановки в промежуточных точках позиционирования, удары звена об упор в конце перемещения, шум при работе.
При позиционном управлении применяют гидропривод дроссельного или объемного управления. Его достоинства: высокое быстродействие при малой инерционности; стабильность скорости при изменении нагрузки благодаря несжимаемости рабочей жидкости; бесступенчатое регулирование скорости; высокий коэффициент усиления мощности; малая масса гидродвигателей. Недостатками гидропривода являются сложность расчета, утечки рабочей жидкости в уплотнениях, зависимость скорости от температуры жидкости.
Для контурного управления удобен электропривод, который вытесняет пневмо - и гидропривод. Электропривод имеет малые габариты, хорошую управляемость и высокую точность отработки траектории. В мехатронике обычно применяют легкоуправляемые электродвигатели постоянного тока, состоящие из ротора и статора. На статоре имеются постоянные магниты или обмотка электромагнитного возбуждения. Обмотка возбуждения на статоре может не соединяться с обмоткой ротора (двигатель независимого возбуждения), соединяться последовательно с обмоткой ротора (двигатель последовательного возбуждения) или соединяться параллельно - последовательно с обмоткой ротора (двигатель смешанного возбуждения). Электродвигатели переменного тока делят на асинхронные и синхронные. Асинхронные двигатели бывают двухфазными и трехфазными. Скорость двухфазного двигателя регулируется напряжением в обмотке управления, смещенной на 90 градусов относительно обмотки возбуждения. Скорость синхронного двигателя зависит от частоты напряжения питания. Недостаток электродвигателей - высокая скорость, требующая преобразования в медленные перемещения механических звеньев. В качестве устройств снижения скорости применяют шестеренчатые, червячные или волновые редукторы. Шестеренчатые и червячные редукторы недостаточно снижают скорость и имеют большие потери мощности. Для устройств мехатроники с электроприводом изобретен волновой редуктор, состоящий из генератора волн 1 эллиптического сечения и гибкого зубчатого колеса 2, которые устанавливаются внутри жесткого зубчатого колеса 3 (рис.3.7).
Гибкое колесо, будучи связанным с генератором волн, принимает форму эллипса. Поэтому его зубцы полностью входят во впадины между зубцами жесткого колеса 3 в двух точках по главной оси эллипса Оно имеет на несколько зубцов меньше, чем жесткое колесо. Через каждый оборот генератора гибкое колесо поворачивает жесткое колесо на эти несколько зубцов. Если генератор волн соединить с входным валом, а жесткое колесо - с выходным, то обеспечивается очень высокое передаточное отношение. По степени управляемости различают приводы:
- нерегулируемые, обеспечивающие движение элемента с одной рабочей скоростью;
- регулируемые, обеспечивающие заданную скорость движения элемента в изменяющейся среде;
- следящие, обеспечивающие перемещение элемента с заданной 'точностью при произвольном задающем сигнале;
- адаптивные, автоматически выбирающие оптимальные параметры управления при изменении условий работы.
Для уменьшения габаритов электродвигателя его расчетную мощность
выбирают с учетом относительной продолжительности включения:
где М - крутящий момент; п - частота вращения; К - коэффициент потерь в передачах; tр- время работы; tц=tp + ta - время цикла; t0- время отключения.
Шаговые двигатели весьма перспективны в мехатронике. На роторе двигателя закреплен постоянный магнит, взаимодействующий большим числом обмоток электромагнитов на статоре. Бесконтактное переключение комбинации обмоток статора приводит к повороту его магнитодвижущей силы на определенный угол. На такой же угол поворачивается ротор. Положение ротора соответствует комбинации включенных обмоток.

58. Компьютерный мониторинг электродвигателей.

Для диагностики и защиты электрооборудования обычно применяют релейно-контактные устройства, имеющие низкую надежность и ограниченные функциональные возможности. Создание микропроцессорной системы, анализирующей информацию о распределении токов трех фаз электродвигателя, позволяет обеспечить:
- защиту и диагностику агрегата "электродвигатель-механизм" от симметричной перегрузки с помощью учета накопленного за предыдущую работу нагрева двигателя и прогнозирования теплового ресурса; сопоставление теплового импульса при пуске с эталоном; запрещение пуска при перегреве больше контрольного с учетом постоянных времени нагрева и охлаждения;
- защиту от несимметрии фазных токов и замыканий в обмотках путем сравнения разности токов через обмотки с допустимым уровнем несимметрии и выдержкой времени сравнения;
- диагностику агрегата при пульсирующей нагрузке по изменению тока статора;
- защиту от межфазных коротких замыканий и замыканий на землю.
Система содержит три уровня (рис. 4.10):
1) первичная диагностика двигателей по информации от датчиков тока и напряжения;
2) диагностика двигателей по обобщенной информации;
3) визуализация состояния двигателей на уровне предприятия с выходом в сеть Интернет.
Применение около 185 таких систем на ЦОФ "Сибирь" (Мыски), Новосибирской ТЭЦ-3, Новосибирской ГЭС, Сургутском управлении ОАО "Транснефть" показало ее преимущества [11]:
- повышение надежности;
- увеличение чувствительности к межфазным коротким замыканиям;
- проведение профилактических ремонтов при отклонении от нормы;
- улучшение технологической культуры персонала;
- объективный анализ причин аварий с помощью ведущегося протокола.
Срок окупаемости системы образуется за счет сокращения времени простоев, снижения затрат на ремонт, сокращения персонала, уменьшения объема ремонтов и составляет 6-9 месяцев.

59. Прямые и косвенные источники живого и овеществленного труда.

Рассмотрим прямые источники эффективности компьютерной автоматизации.
Повышение производительности оборудования путем увеличения его загрузки.
Использование дорогостоящего оборудования в неавтоматизированном производстве не превышает 8 % .
1. 40 % теряется из-за отсутствия 2-й и 3-й рабочих смен.
2. 4% теряется на установочно-разгрузочные операции.
3. 7% теряется на переналадку и измерительные операции.
4. 7 % теряется на смену инструмента.
5. 6% теряется на простой из-за неисправностей.
6. 8 % теряется производительное время.
7. 28 % теряется на остановку станка в период отпусков и выходных дней.
Эффект достигается за счет повышения коэффициента сменности с 1,6 (при двухсменной работе и ручном управлении) до 3,0, что дает прибавку 1260 часов в год; эксплуатации автоматизированного оборудования в выходные и праздничные дни - дополнительно 2735 часов в год; исключения внутрисменных и междусменных простоев в связи с отдыхом персонала (400 часов в год) и ожиданием оператора при многостаночном обслуживании (около 300 часов в год).
В результате коэффициент загрузки повышается с 0,4-0,6 до 0,85-0,90, благодаря чему сокращается число единиц оборудования при том же объеме выпуска продукции.
- Повышение производительности за счет сокращения времени обработки изделия.
Достигается путем увеличения числа технологических операций, выполняемых в единицу времени. При этом повышается среднесменная производительность.
- Экономия зарплаты высвобождаемых рабочих.
С 70-х годов затраты на час ручной работы в США превысили стоимость часа работы робота и стали расти в 6-8 раз быстрее затрат на эксплуатацию роботов. В конце 80-х годов стоимость часа работы робота составила 6 долларов при стоимости часа работы рабочего США 15 долларов. В 1991 г. один час работы робота в США приносил прибыль 13 долларов при высвобождении 2-7 человек. Сокращение затрат на рабочую силу является одной из главных причин автоматизации производства в развитых странах.
- Уменьшение размера оборотных средств в незавершенном производстве.
К незавершенному производству относят запасы материалов, полуфабрикатов и деталей в промежуточных складах, предотвращающие простои смежных участков по причине организационных причин. Здесь омертвляется овеществленный труд, заложенный на предыдущих участках. Потери в незавершенном производстве зависят от его объемов и сроков хранения. Автоматизация позволяет организовать ритмичную работу звеньев производства в режиме "делать то, что нужно, когда нужно и сколько нужно".
- Сокращение производственных площадей.
Полная загрузка автоматизированного оборудования позволяет выполнять производственное задание меньшим числом единиц оборудования. Это приводит к сокращению площади, занимаемой оборудованием. Возможность быстрого перепрограммирования производства на выпуск новых изделий уменьшает число специализированных технологических линий. Эффект от сокращения производственных площадей оценивается по экономии капитальных затрат на строительство помещений и текущих затрат на их содержание. Один квадратный метр производственной площади стоит более тысячи долларов капитальных затрат, не считая текущих затрат.
- Снижение потерь от брака.
К этому приводят стабилизация операций обработки и соблюдение технологической дисциплины при автоматическом управлении процессом.
- Экономия материалов и энергии.
Обеспечивается за счет рационального выполнения операций в автоматическом режиме: минимизации отходов при раскрое материалов сокращения расхода краски при нанесении покрытий; оптимизации ре жимов сварки.
- Выручка от продажи заменяемого оборудования.
Оценивается как ликвидационная стоимость всего демонтируемого оборудования.
Кроме перечисленных выше прямых источников необходимо учитывать косвенные источники эффективности компьютерной автоматизации:
- Улучшение социальных характеристик труда рабочих.
Проявляется в виде сокращения социальных потерь, которые обусловлены непосредственным участием рабочих в технологическом процессе и скрыты в общих затратах предприятия. К ним относятся: потери от травматизма, утомляемости, профессиональных заболеваний и текучести кадров; затраты на охрану труда, подготовку кадров, дотации на жилье и социально - бытовое обслуживание, различные выплаты и льготы. По нашим оценкам на шахтах и разрезах Кузбасса доля социальных факторов эффективности автоматизации составляет 80-120 % экономии зарплаты высвобождаемых рабочих.
- Снижение затрат на технологическую подготовку производства.
Эффект образуется вследствие универсальности оборудования и автоматизированной подготовки управляющих программ. Компьютерная подготовка техдокументации и непосредственная передача технологических заданий к системам программного управления оборудованием позволяют в несколько раз повысить производительность труда проектировщиков и технологов, оптимизировать конструкции изделий и технологические маршруты.
- Снижение расходов на эксплуатацию и ремонт оборудования.
Образуется за счет выполнения производственной программы меньшим числом единиц оборудования в ГПС. Оценивается как экономия затрат на зарплату ремонтников и запчасти.
- Повышение качества продукции за счет стабилизации процессов и исключения влияния субъективного фактора.
Образуется за счет автоматического повторения рациональных циклов управления независимо от степени усталости и квалификации рабочего, например при сварке, окраске, нанесении покрытий.
Например, при ручной окраске 10-20 % изделий возвращаются для исправления дефектов окраски. Автоматизация окраски исключает появление дефектов, повышает производительность в 1,7 раза за счет большей скорости распылителя, сокращает расход окрасочного материала на 30 %, исключает вентиляционные устройства, позволяет наносить на поверхность рисунки по заданным программам.
- Сокращение потерь на приобретение опыта и квалификации рабочим .
Хотя подготовка кадров для компьютерной автоматизации требует повышенных затрат, в автоматизированном производстве нет необходимости в длительном накоплении рабочими профессионального опыта для, например, сварки, окраски, сборки или резания материалов. Адаптивное управление этими операциями по рациональным алгоритмам и с высокими скоростями приводит к независимости качества процесса от опыта рабочего.
- Сокращение убытков от несчастных случаев.
Выплата страховых возмещений в связи с травматизмом и гибелью рабочего на производстве достигает 10 млн. долларов. Это приводит к росту обязательных страховых отчислений для фирм, не внедряющих автоматизированные технологии производства. Эффект оценивают как сокращение страховых выплат и компенсаций в связи с несчастными случаями..
- Повторное использование устройств автоматизации при модернизации производства.
Совершенствование компьютерно-автоматизированного производства не требует замены программируемых устройств автоматизации: промышленных компьютеров, программируемых контроллеров и персональных ЭВМ. В них старая программа заменяется на новую. Эффект проявляется в экономии затрат на обновление производства.
- Повышение конкурентоспособности продукции.
Компьютерно-автоматизированное производство способно быстро переходить на выпуск новой продукции в соответствии с колебания ми спроса, обеспечивая фирме рыночную инициативу. В машиностроении становится рентабельным выпуск единичных экземпляров продукции по заказу потребителя (форма корпуса автомобиля, расположена руля, цвет обивки и корпуса, число дверей и пр.). Передача технологи ческой информации через Интернет в базы данных дочерних предприятий позволяет ускорить переход на новую продукцию и получить повышенную прибыль.
- Интеграция подсистем производства.
Внедрение только локальной автоматики, как правило, неэффективно и оказывает слабое влияние на производство. При объединении автоматизированного оборудования в сеть появляются возможности согласования работы смежных звеньев и участков производства, ввода оперативного управления оборудованием, планирования и организации производства. Интеграция подсистемы автоматизированного производства с подсистемами автоматизированного проектирования и автоматизированной технологической подготовки производства приводит к качественному изменению всего производства.
- Сокращение сроков опытно - конструкторских работ.
Себестоимость изделий, изготовляемых по спецзаказам, в 10 и более раз выше, чем при массовом производстве, вследствие частой смены инструмента и настройки оборудования, индивидуального проектирования, изменения планов производства. Гибкость автоматизированного производства позволяет быстро перестраиваться на выпуск новых изделий, делая рентабельным выпуск единичных изделий по спецзаказам. Срок от получения заказа до выпуска изделия не превышает одних суток. Появляется возможность выпуска экспериментальной проверки новых узлов и машин, быстрого освоения принципиально новой продукции. Это приводит к ускорению научно-технического развития.

60. Оценка целесообразности автоматизации производства по изменению соотношения эффективности компьютерной автоматизации.

Как сопоставить изменения живого и овеществленного труда учетом дополнительных затрат на автоматизацию, надежности автоматизированного оборудования, изменения производительности и эксплуатационных расходов?
Технологию можно оценить отношением объема выпущенной продукции к общим затратам на ее выпуск:
где Q - годовой выпуск продукции; N - срок эксплуатации оборудования; Т - общие затраты единовременного овеществленного Т0, текущего овеществленного Тт и текущего живого Тж труда на выпуск продукции.
Смысл этого выражения прост: чем больше выпуск продукции и меньше затраты на ее производство в течение срока службы оборудования, тем выше уровень совершенства технологического процесса.
В зависимости от срока эксплуатации N объем выпущенной продукции линейно растет, если считать годовой выпуск продукции QJ постоянным (рис. 4.13). Единовременные затраты на оборудование К, распределяются на весь срок эксплуатации Ni. Поэтому надо иметь в виду, что Ni на рисунке является не текущим, а общим временем работы оборудования. К затратам К, добавляются расходы на рабочую силу Zi, материалы и энергию Сi, растущие по мере срока эксплуатации Ni.
В результате деления объема продукции на суммарные затраты зависимость уровня совершенства i-го технологического процесса Pi от общего срока эксплуатации оборудования Ni принимает форму гиперболы. По мере увеличения Ni единовременные затраты овеществленного труда Ki распределяются на все больший выпуск продукции, и уровень технического совершенства Pi становится выше, приближаясь к пределу морального износа:
Но для неавтоматизированной технологии можно также построить кривую совершенства технологического процесса:
Она может находиться выше, ниже или пересекать гиперболу для автоматизированного технологического процесса Pi(Ni) (рис. 4.14).
Таким образом, если уровень совершенства автоматизированного технологического процесса выше, чем неавтоматизированного, то должно выполняться неравенство:
На графике это условие выполняется после пересечения гиперболы P0(N0) существующей технологии гиперболой PI(NI) автоматизированной технологии (рис. 4.14). Проекция точки пересечения гиперболы на горизонтальную ось показывает минимальный срок эксплуатации системы автоматизации N0. Зависимость критерия S от срока эксплуатации N на рисунке также имеет гиперболическую форму. При увеличении срока эксплуатации прирост производительности замедляется.
Анализ условий, при которых гипербола PI(NI) пересекает гиперболу P0(N0), позволяет решать стратегические задачи автоматизации определение срока морального старения применяемой технологии, сопоставление альтернатив автоматизации, ранжирование целей применения и источников эффективности автоматизации, оценка минимального объема автоматизации, выбор оптимальных сроков замены неавтоматизированного оборудования на автоматизированное, оценка срока службы устройств автоматики.
Для определения границ целесообразности автоматизации введем условие S>1 и решим обратные задачи.
Требуется определить лимит затрат Ki на средства автоматизации, если известны стоимость существующего оборудования К0, производительность Q0, Qi; годовые затраты на рабочую силу Z0, Zi, материалы и энергию С0, Сi до и после автоматизации. Преобразуем выражение при условии роста производительности труда S>1:
Используя преобразование формулы для S, можно определить, на какую величину должна повыситься производительность в результате автоматизации, если известны затраты на существующую К0 и автоматизированную Ki технологии, годовые затраты на рабочую силу Z0, Zi, материалы и энергию С0, Сi:
Таким образом, рассмотренный метод позволяет сопоставить в одной формуле затраты и эффект от модернизации производства, а затем сделать вывод о целесообразности автоматизации.