Файл: Курс лекций Разработчик Афонин Ю. Д. Екатеринбург, 2007 2 Содержание.pdf

Федеральное агентство по образованию
ГОУ ВПО «Уральский государственный технический университет – УПИ»
Физико-технический факультет
Кафедра редких металлов и наноматериалов
Системы управление химико-
технологическими процессами
Курс лекций
Разработчик
Афонин Ю.Д.
Екатеринбург, 2007

2
Содержание
Введение ..................................................................................................................... 4 1 Понятие об автоматическом регулировании ....................................................... 6 1.1 Принцип регулирования по возмущению ...................................................... 7 1.2 Принцип регулирования по отклонению (по ошибке) ............................... 10 1.3 Понятие о законах регулирования ................................................................ 16 1.4 Понятие об автоматизированном технологическом объекте .................... 23 2 Архитектура ЭВМ ................................................................................................ 26 2.1 Понятие архитектуры ЭВМ. Представление информации в ЭВМ ........... 26 2.2 Структура памяти. Структура магистрали .................................................. 30
IBM PC – AT ......................................................................................................... 30 2.3 Устройства ввода – вывода ........................................................................... 36 3. Обмен информацией с внешними устройствами ............................................. 39 3.1 Способы обмена информацией с внешними устройствами ....................... 39 3.2 Магистраль ISA IBM PC совместимого компьютера ................................. 44 3.3 Циклы ВВОД и ВЫВОД магистрали ISA .................................................... 47 3.4 Цикл по прерыванию программы ................................................................. 50 3.5 Магистраль PCI IBM PC совместимого компьютера ................................. 54 3.6 Магистраль PCI Express ................................................................................. 60 4 Промышленные компьютеры.............................................................................. 63 4.1 Понятие о промышленных компьютерах серии Micro PC ......................... 63 4.2 Процессорная плата 5025А............................................................................ 68 4.3 Плата АЦП 5710 ............................................................................................. 76 5 Стандартные интерфейсы обмена данными ...................................................... 81 5.1 Интерфейс RS-232. Программирование интерфейса RS-232 .................... 81 5.2 Интерфейс RS-485 .......................................................................................... 89 5.3 БИС программируемого параллельного интерфейса КР580ВВ55А
(82С55А) ................................................................................................................ 94 5.4 Интерфейс КОП .............................................................................................. 97 6 Системы программного обеспечения операторских станций АСУ ТП
(SCADA) ................................................................................................................. 108 6.1 Понятие о системах SCADA ....................................................................... 108 6.2 Пакет Genie ................................................................................................... 111

3 6.3 Технология OPC ........................................................................................... 117
Литература .......................................................................................................... 124

4
Введение
Наиболее яркой чертой научно-технического прогресса наших дней стало повсеместное внедрение компьютеров и компьютерной технологии в различные отрасли человеческой деятельности. Все, начиная со школьника и кончая инженером и научным сотрудником, в учебе и производственной деятельности используют или в ближайшее время будут использовать ЭВМ.
При этом среди множества областей применения ЭВМ распределенное технологическое управление — наиболее массовые потребители относительно недорогих и компактных мини- и микро-компьютеров, которые используются, в основном, для автоматизации технологических объектов и связанных с ними технических расчетов.
Под автоматизацией технологического объекта мы будем понимать круг проблем, связанных с использованием средств вычислительной техники для регистрации технологической информации и управления узлами этого объекта. Из сказанного следует, что наличие компьютера является необходимым условием автоматизированного технологического управления.
Необходимым, но далеко не достаточным.
Приобретя компьютер с набором периферийных устройств (накопители на магнитных дисках, принтер, графопостроитель и др.) и создав технологическую установку, вы должны в первую очередь соединить их между собой, чтобы сигналы с датчиков поступали в компьютер и сигналы, вырабатываемые компьютером, управляли процессом. Но именно здесь и кроется первая трудность: сигналы с датчиков имеют различную физическую природу (напряжение или ток, импульсные или квазинепрерывные и т.д.), а компьютер понимает только язык двоичных цифр, причем переданных ему строго определенным образом. Эта проблема решается применением аппаратуры сопряжения или интерфейсов связи компьютера с устройствами ввода/вывода. Интерфейсы переводят сигналы различного типа на язык стандартных сигналов, воспринимаемых ЭВМ.

5
После решения проблемы сопряжения компьютера с объектом управления встанет проблема разработки программ обслуживания технологического процесса, представления информации в графической форме на мониторе оператора, создания файлов архива, аварий и др.
Автоматизированный технологический объект кроме всего прочего требует знания соответствующего химического технологического процесса, реализуемого с помощью данного объекта, для эффективного и корректного использования преимуществ автоматизации.
Мы перечислили далеко не все проблемы, но уже видно, что для эффективного применения компьютеров в управлении требуются разнообразные знания и высокая квалификация в области вычислительной техники. Пользователи же систем автоматизации, например инженеры - технологи, как правило, не являются специалистами в этих областях.
Для таких студентов и предназначен этот курс лекций. В нем даются представления о системах автоматизированного регулирования, законах автоматизированного управления, архитектуре и магистралях ЭВМ, промышленных компьютерах, системах наиболее распространенных интерфейсов, системах SCADA и технологии ОРС.
Компетенциями этого курса является то, что после освоения лекционного материала и приобретения практических навыков при выполнении лабораторных работ, студент способен самостоятельно разработать систему автоматизированного управления тем или иным технологическим объектом.

6
1
Понятие об автоматическом регулировании
Автоматическим регулированием называется изменение какой-либо физической величины по требуемому закону без непосредственного участия человека. Физическая величина, подлежащая регулированию, называется обычно регулируемой величиной, а технический агрегат, в котором осуществляется автоматическое регулирование,— регулируемым объектом.
Обозначим через y(t) функцию, описывающую изменение во времени регулируемой величины, и пусть g(t) — функция, характеризующая требуемый закон ее изменения. Тогда основная задача автоматического регулирования сводится к обеспечению равенства:
y(t) = g(t)(1.1)
во все моменты времени работы системы с заданной степенью точности.
Функция g(t) в дальнейшем будет называться задающим воздействием.
В реальных объектах регулирования всегда существуют причины, отклоняющие регулируемую величину от требуемого закона изменения. Эти причины называются возмущающими воздействиями (возмущениями) и обозначаются f
1
(t), f
2
(t), ... . Среди всех возмущающих воздействий обычно можно выделить одно или несколько, наиболее сильно влияющих на регулируемую величину. Такие возмущающие воздействия называются основными, а все остальные — второстепенными. Для борьбы с возмущениями объект регулирования ОР обычно снабжается регулирующим
органом РО, воздействуя на который (вручную или автоматически) можно изменять регулируемую величину, компенсируя нежелательные ее изменения, обусловленные влиянием возмущений. Воздействие на регулирующий орган называется регулирующим воздействием и далее обозначается буквой

. Все сказанное позволяет изобразить общую схему любого объекта регулирования в виде, показанном на рис. 1.1. На этом рисунке условно показаны три возмущения, действующие на объект регулирования. В общем случае число возмущений может быть любым.

7
Устройство, автоматически решающее задачу регулирования в данном f
1
f
2
f
3
f n
РО
ОР
y

АР
САР
Рисунок. 1.1 - Общая схема объекта регулирования. объекте, называется автоматическим регулятором. Объект регулирования и автоматический регулятор в совокупности образуют
систему
автоматического регулирования (CAP).
Любой регулятор предназначен для создания регулирующего воздействия

на объект регулирования, обеспечивающего (с той или иной степенью точности) изменение регулируемой величины y(t)по требуемому закону g(t). Несмотря на громадное разнообразие используемых в современной технике регуляторов, все они строятся на базе одного из двух основных принципов регулирования: по возмущению (по внешнему воздействию) и по отклонению (по ошибке).
1.1
Принцип регулирования по возмущению
Принцип регулирования по возмущающему воздействию часто называется также принципом компенсации возмущений.
Основной причиной, отклоняющей регулируемую величину от требуемого закона ее изменения, являются всякого рода возмущающие воздействия. В связи с этим естественно возникает следующая идея: для компенсации вредного влияния какого-либо возмущения измерить это возмущение и в зависимости от результатов измерения осуществить регулирующее воздействие на объект, обеспечивающее изменение регулируемой величины по требуемому закону. Если, например,

8 возмущающее воздействие вызвало увеличение регулируемой величины, то регулятор должен создать регулирующее воздействие, направленное на уменьшение регулируемой величины. Наоборот, если рассматриваемое возмущение привело к уменьшению регулируемой величины, регулирующее воздействие должно ее увеличить.
Рассмотренная идея и составляет содержание принципа регулирования по возмущению. Для его технической реализации в состав автоматического регулятора, очевидно, должны входить устройства, позволяющие измерять возмущающее воздействие, и устройства, предназначенные для создания регулирующего воздействия на объект регулирования (например — для перемещения регулирующего органа. Первые будем называть далее
чувствительными элементами (ЧЭ), а вторые - исполнительными
элементами (ИЭ) регулятора. Между чувствительным и исполнительным элементами могут быть включены промежуточные элементы (ПЭ),
предназначенные для усиления выходного сигнала чувствительного элемента по мощности, осуществления необходимых преобразований этого сигнала и т. д.. В простейших случаях регулирующее воздействие может создаваться непосредственно чувствительным элементом и тогда исполнительный и промежуточные элементы в составе регулятора отсутствуют.
Общая схема CAP, реализующей принцип регулирования по возмущению, показана на рис. 1.2 (регулирование осуществляется по возмущению f
1
). Чувствительный, исполнительный и промежуточные элементы (ЧЭ, ИЭ и ПЭ) в совокупности образуют автоматический регулятор
- АР.
Правильно сконструированный регулятор обеспечивает независимость
(инвариантность) регулируемой величины от возмущающего воздействия f
1

9 f
1
f
2
f
3
f n
РО
ОР
y

АР
ЧЭ
ПЭ
ИЭ
Рисунок 1.2 - Функциональная схема системы автоматического регулирования, работающей по возмущению.
Д
ЛЯ
САР,
работающих по возмущению, присущи следующие недостатки:
1. В CAP, работающих по возмущению, инвариантность регулируемой величины обеспечивается лишь по отношению к тому возмущающему воздействию, которое измеряется чувствительным элементом регулятора (f
1
на рис. 1.2). В качестве этого возмущения всегда выбирается одно из основных возмущений. Наличие большого числа других, не контролируемых регулятором, возмущающих воздействий (f
2
, f
3
на рис. 1.2) приводит обычно к тому, что регулируемая величина значительно отличается от требуемого закона ее изменения, т.е. задача регулирования (1.1) не выполняется. Попытка создания отдельного регулятора по каждому возмущающему воздействию приводит к резкому усложнению CAP. Кроме того, далеко не каждое возмущающее воздействие может быть измерено.
2. Инвариантность по отношению к возмущению, измеряемому чувствительным элементом регулятора, в рассматриваемых
CAP обеспечивается только при условии строгого соответствия параметров регулятора и объекта их расчетным значениям. Изменение параметров регулятора или объекта (вследствие старения, влияния внешних условий и т. д.) приводит в таких системах к отклонению регулируемой величины от требуемого значения.
Оба отмеченных недостатка CAP, работающих до возмущению,

10 обусловлены тем обстоятельством, что в таких системах истинное значение регулируемой величины уникак не измеряется и не контролируется (это наглядно видно на рис. 1.2). Регулирующее воздействие

, от регулируемой величины у не зависит. Система, как говорят, имеет разомкнутый цикл
передачи воздействий (от возмущения — к регулируемой величине), т. е. работает по разомкнутому циклу.
Итак, техническая реализация принципа компенсации возмущений приводит к системам, работающим по разомкнутому циклу (рис 1.3). Из-за
ЧЭ
ПЭ
ИЭ
ИВ
К управляемому объекту
ИВ-измеряемое возмущение
Рисунок 1.3 – Функциональная схема автоматической системы, работающей по разомкнутому циклу. отмеченных выше весьма серьезных недостатков системы, работающие по разомкнутом циклу
(разомкнутые системы), для решения задач автоматического регулирования в настоящее время самостоятельно почти не применяются. Обычно они используются только в качестве составной части более сложных, так называемых комбинированных, САР.
1.2
Принцип регулирования по отклонению (по ошибке)
Этот принцип построения автоматических регуляторов предложен и впервые осуществлен на практике в 1765г. знаменитым русским механиком И.
И. Ползуновым в регуляторе уровня воды в котле изобретенной им паровой машины. Несколько позже (и независимо от Ползунова) этот принцип использовал английский механик Дж. Уатт при разработке центробежного регулятора скорости вращения выходного вала паровой машины. В связи с этим принцип регулирования по отклонению часто называется принципом
Ползунова—Уатта. Основная задача любой CAP состоит в выполнении равенства (1.1) с той или иной степенью точности. Чем точнее соблюдается равенство (1.1), тем лучше CAP. Поэтому естественно качество работы CAP

11 характеризовать разностью
x(t) = g(t)—y(t)
(1.2) между требуемым законом изменения регулируемой величины g(t) и действительным законом ее изменения y(t). Функция x(t) определяет ошибку работы CAP: чем меньше х, тем лучше система. При идеальной работе CAP
x(t) =0
(1.3) для всех моментов времени. Для реальных систем ошибка (1.2) отлична от нуля и речь может идти лишь об уменьшении ее до допустимых пределов.
В том случае, когда требуемым законом изменения регулируемой величины является постоянное значение g(t) = g°= const. для оценки качества работы CAP иногда используют так называемое отклонение

y(t) = y(t) - g
o
. (l.4)
Ясно, что при этом отклонение и ошибка отличаются только знаком.
Идея, лежащая в основе принципа регулирования по ошибке, весьма проста. Состоит она в том, что тем или иным путем определяется ошибка САР
(1.2) и в зависимости от величины и знака этой ошибки осуществляется регулирующее воздействие на объект регулирования, сводящее ошибку к нулю, т. е. обеспечивающее изменение регулируемой величины по требуемому закону. При х > 0 регулирующее воздействие должно увеличивать регулируемую величину у, а при х < 0 — уменьшать. При х = 0 регулируемая величина равна требуемому значению, и регулирующий орган должен быть неподвижен.
В общем случае для определения сигнала ошибки x используются три элемента: задающий, чувствительный и сравнивающий.
Задающий элемент служит для формирования воздействия g(t),
характеризующего требуемый закон изменения регулируемой величины.
Чувствительный
элемент предназначен для измерения действительных значений регулируемой величины у(t).
Сравнивающий
элемент представляет собой простейшее