Коммерциялық емес акционерлік қоғам

Алматы энергетика және байланыс университеті

Инженерлік кибернетика кафедрасы

 

 

 

Басқарудың программа - техникалық кешені

 Дәрістер жиынтығы

5В070200 –Автоматтандыру және басқару мамандығының барлық оқу түрлерінің студенттеріне арналған

 

 

Алматы 2012 

Қурастырушы: А.Ә.Көпесбаева. Басқарудың программа - техникалық кешені. Дәрістер жиынтығы. 5В070200 –Автоматтандыру және басқару мамандығының барлық оқу түрлерінің студенттеріне арналған. - Алматы: АЭжБУ, 2012 - 60 б.

 

Методикалық нұсқауларда «Басқарудың программа - техникалық кешені» пәні бойынша дәрістердің қысқаша мазмұнын береді. Дәрістерді тотыратын әдебиет тізім келтірілген.

         Методикалық нұсқау 5В070200 –Автоматтандыру және басқару мамандығының барлық оқу түрлерінің студенттеріне арналған.

         30 сурет , кесте  8, әдебиет –  14  атау.

  

         Пікір беруші: доцент Башкиров М.В.

 

         «Алматы энергетика және байланыс университеті» коммерциялық емес акционерлік қоғамының 2012 ж. жоспары бойынша  басылады

 

© «Алматы энергетика және байланыс университеті» КЕАҚ, 2012 ж.

 

Мазмұны

1 Дәріс. Өндірістегі автоматтандырылған ақпараттық-басқарушы

жүйелері                                                                                                                   3

2 Дәріс. Күрделі техникалық жүйелерді нақты уақытта басқару                       6

3 Дәріс. Басқару жүйесінің  қазіргі уақыттағы даму тенденциялары.

SCADA жүйелер                                                                                                    11

4 Дәріс. Интегралданған басқару жүйелерін жасау  программа кешендері    14

5 Дәріс. Бастапқы ақпаратты өңдеудің үлгілі алгоритмдері                             17

6 Дәріс. Жергілікті реттеу жүйенің программа-техникалық кешені                23

7 Дәріс. Санды ПИД- реттеуіштің алгоритімі                                                     26

8  Дәріс. Қазіргі уақытқа сай контроллердің негізінде санды

реттеуіштерді іске асыру                                                                                       30

9 Дәріс. Заманауй контроллерлердiң жергiлiктi автоматикасының

техникалық құралдар кешенінiң құрамы                                                              37

10 Дәріс. Қазiргi уқытқа сай контроллерлердiң басқаруының

программалық-техникалық кешендерiнiң функционалдық құралдары            39

11 Дәріс. Өндірістік желілер. Сипаттамасы және стандарты                             45

12 Дәріс. Цифралық автоматты басқару құралдарын  басқару                          49

13 Дәріс. Қазіргі уақытқа сай өндірістік сандық жүйелердегі қателерді бақылау                                                                                                                     54

14 Дәріс. Үзу режиміндегі сыртқы құрылғылармен мәлімет алмасу                 57

Әдебит тізімі                                                                                                            59

 

1 Дәріс. Өндірістегі автоматтандырылған ақпараттық-басқарушы жүйелері

1.2 Өндірістегі ақпараттық-басқарушы жүйелерді топтастыру

Дәрiстiң мақсаты: қазiргi ақпараты - басқарушы  жүйелер (АБЖ) классификацияның басты ережесiн, АБЖ-ның функцияларының математикалық үлгiлерiнiң көрсету.

Қазақстанда және жақын мемлекеттерде [7,8] қазіргі уақытқа сай ақпараттық-басқару жүйелерді зерттеу нәтижесінде нарықта көп түрлі шешімдері бар екеніне көз жетеді. Ақпараттық басқару жүйелер (АБЖ) әртүрлі басқару функцияларын орындайды. Ол функциялар тек қана техникағана емес әлеуметтік, шаруашылық, экономика мәселелерін де алып жатады. Ақпараттық-басқарушы жүйенің құрылымы пирамидалар жиыны түрінде жүреді (1 суретті қара). Басқару функцияларының әрбіреуін де пирамида түрінде көрсетуге болады. Пирамида жүйе бөліктерінің байланыс иерархиясын көрсету үшін қолданылады. Пирамиданың ұшында байланыс азаяды, ал пирамиданың бас жағында қарым-қатынасы күшейеді. Әр пирамиданы төрт деңгейге бөлуге болады. Сонда әр деңгейге сәйкес программа кешені шығарылады.

1 сурет - Ақпараттық-басқарушы жүйенің құрылымы

 

1 суретте көрсетілген сурет жергілікті автоматика пирамидасы. Бұл пирамидаға тән сипаттама – өндіріске жоба жазғанда оның техникалық тапсырмасы бірінші деңгейде беріліп, төменгі сатыға ақпараттың техникалық тапсырма түрінде келуі. Ал  MES-жүйелерде керісінше, техникалық, технологиялық, әлеуметтік, экономикалық аспектілердің ескерілуіне байланысты нақты техникалық тапсырма болмайды және басқару есебі айқын болмайды. Үшінші деңгейде осы жобаға бөлінетін қаржы анықталады. Төртінші деңгейде жобаның болашақ дамуы зерттеледі және оны тіркеп немесе жоюға қорытынды шығарылады.

Қызметтері бойынша АқБЖ бөлінуі:

 

1 к е с т е – АқБЖ бөлінуі

Деңгейлер

Сипаттамасы

IV деңгей

интеграция жүйелері

III деңгей

цех (бөлім) деңгейінің үлкен АқБЖ (бухгалтерия, кадр, зат жеткізу, зат өткізу)

II деңгей

байланыстары шектелген жергілікті жүйелер (өндірісті толық басқару, бас энергетик, бас инженер, бас механик және т.б. қызметтер)

I деңгей

аспаптар жүйесі (цех, учаске, технологиялық жолдар)

 

Аспаптар жүйесі орындаушы деңгей және оның қызметі қарапайым есептерді орындау:

-  өлшеулер жүргізу, алғашқы мәліметтерден құжатқа тіркеу;

-  режимдерді және көрсеткіштерді технологиялық басқару  процесінің шеңберінде реттеу алгоритмін орындау;

-  технологияда бақылауыштарды қолдану;

-  SCADA-жүйелерді қолдану;

-  экономикада – электронды кестелерді қолдану операциялары.

-  Байланыстары шектелген жергілікті жүйе қызметі:

-  әртүрлі мамандықтағы қызметкерлерден тұратын учаскілерді басқару. Мысалы, өндірістік нысанның диспетчерлік көрінісінің көрші учаскілермен байланысын көрсету, яғни басқа учаскілермен байланыстыра отырып басқару мәселерін шешеді. Бұл деңгейде технология жағынан таратылған басқару жүйелері (DCS) және экономика жағынан "1С-Бухгалтерия" сияқты бір функционалды жүйелер қолданылады.

Цех деңгейінің үлкен АқБЖ қызметі:

-  әкімшілік-шаруашылық бірліктерді басқару. Бұл жүйелер программа кешендері болып келеді, Ресейде ол «Орбита», «Парус» деген программа кешендері, ал шетелде PI (PlantInformation, OSI Software) және InfoPlus (AspenTech), Baan, R3(SAP).

-  Интеграция жүйесінің ғылыми зерттеу деңгейі және қызметі:

-  өндірістің дамуын басқару және оның өсу стратегиясын ойластыру;

-  аналитика және болжау (OLAP,CRM,B2B).

Пирамиданың байланыстары тігінен дамуын, көлденеңінен ақпараттық байланысын көрсетеді. Сонда пирамиданың төменгі жағында ақпараттар бір-бірімен тығыз байланыста, ал ұшында байланыс әлсіз.

 

1.2 Ақпараттық-басқарушы жүйелер қызметінің математикалық үлгісі

Өндірісті талдау нәтижесінде өндірістің нақты үлгісі ретінде 2 деңгейлік иерархиялық үлгі болып танылды. Мұнда төменгі деңгейде – жергілікті басқару қызметтері және жоғарғы деңгейде – орталықтандырылған басқару қызметтері орын алады.

Артықшылығы:

1)     төменгі деңгейде ақпарат анық және толық болып келеді, ал оны жоғарғы деңгей арқылы басқару ақпаратты тиімді қолдануға мүмкіндік береді;

2)     әрбір жергілікті ақпарат өзіне белгіленген орында сақталады және де процеске қатысушылардың бәріне қол жетімді болады;

3)     ақпараттың өту қабілеті өте жоғары болғанымен, бүкіл жүйенің сенімділігі нақты бір ақпараттың сеніміділігіне тәуелді емес.

4)     жергілікті ақпараттың сенімділігі жоғары, өйткені оның сенімділігі жергілікті жабдықтардың сенімділігіне байланысты және байланыстар сенімділігіне тәуелсіз.

2 сурет - Автономды басқаруы бар орталықтандырылған құрылым

 

Суреттегі белгілер:

 

Co – басқару жүйесінің жоғарғы деңгейі;

Сn – басқару жүйесінің төменгі деңгейі;

рPn – басқарылатын поцестер;

mMn – басқару сигналдары;

Ωn – әсер етуші сигналдар;

rRn – 1-ші деңгейдің ақпараттары;

sSn – түзетуші сигнал;

уУn – шығыс сигналдар;

кКn – 2-ші деңгейдің ақпараттары;

 

Сонда ақпараттық-басқару жүйесінің қызметін көрсететін үлгі төмендегідей өрнектеледі.

Басқару процесі қызметінің үлгісі:

                      P:  M ´W®U        .                                                                   (1)

Әсер етуші факторларды ескере отырып басқару М сигналының әрекеті шығыс У сигналының өзгеруіне әкеледі.

1-ші жергілікті деңгейді басқару процесі қызметінің үлгісі:

                  Ci:  S´Ri® Mi ;  R = R1´R2´ ´Rn  .                                              (2)

1-ші деңгейдің ақпараттық ағынының түзетуші сигналдарының есебінен М басқару сигналы қалыптасады. Ақпараттық ағын әр процесс бойынша қалыптасады.

Түзету қызметінің үлгісі:

               C0:  K ® S.                                                                                 (3)

Түзету сигналы S 2-ші деңгейдің ақпараттар ағынының есебінен қалыптасады. 

1-ші және 2-ші ақпараттық жүйелердің қызметі:

                                      fi: Mi ´ W ´ U ® Ri ;  i = 1…n ;                                 (4)

                                               fo: S ´ R ´ M ® K .                                          (5)

(4) және (5) функциялар ақпараттық жүйенің қызметін формалды түрде көрсетеді. Басқарушы,  түзету, әсер етуші сигналдардың өзгерісі ақпараттар ағынының өзгеруіне әкеледі.

 

2 Дәріс. Күрделі техникалық жүйелерді нақты уақытта басқару

 

2.1 Нақты уақытты ақпараттық-басқару жүйелер

 

Дәрiстiң мақсаты: нақты уақыттың ұғымы және қазiргi автоматтандырылған жүйелердiң негiзгi басқару функциялары ашу.

Өндірісте екі түрлі уақыт негізін пайдаланады: нақты және өндірістік уақыттар [1]. Нақты уақыт астрономиялық уақытқа байланыстырылған, сондықтан оны жиілігі күн айналымына байланысқан деп айтады. Өндірістік уақыт белгілі өндірістің кезеңдеріне байланысты, ал оның жиілігі адамның ой қабілетіне байланысты деп айтады.       

Өндірісті техникалық элементердің байланысы түрінде көрсетсек (3 суретті қара): ДПС (датчиков производственных сигналов) өндірістік сигналдардың датчиктері, УСО (устройств сопряжения с объектами) нысанға байланыстыру құрылғысы, УВМ (управляющих вычислительных машин) басқаратын есептеу машинасы,  СОИ (систем отображения информации) ақпаратты көрсету жүйесі, ИМУ (исполнительного механизма  управления) нысанның басқарылатын орындаушы механизмдері. Осы құрылғылардың барлығы өндіріс уақытқа таймер арқылы сәйкестірілген. Аналогты А және дискретті ДС сигналдары сәйкестіруді талап етеді.

Өндірістік процестің орташа уақыты Тср келесі уақыттардан турады: еегізу уақыты Твв, түрлендіру уақыты Тпр, шығару уақыты Твв.  Жүйе нақты уақытта әсер беру үшін оның мәліметтер қоры нақты уақытта өңделетін болу керек. Нақты уақытты мәліметтер қоры SCADA пакеттің құрамына кіреді, және архив түрінде сақталады, ал ол қорды толтыру архив тренділері арқылы орындалады.

Нақты уақытты программалық кешендер келесі түрлерге бөлінеді:

-  аспаптық - стандартты программалық аспаптарда негізделген;

-  басқаратын - нақты уақытты модулдер және басты программамен бірге сол мезгілде орындалатын режим модулдер түрінде болады;

-  қамтамасыз ету - өңделген сигналдарды бейнелеуге арналған.

 

3 сурет -  Өндірістегі автоматтандыру элементтерінің байланысы

 

2.2 Ақпараттық –басқару жүйедегі интегратор түсінігі                                    

 

Қазіргі уақытта нарықта АБЖ-нің төрт түрі бар [7]:

1)     бірыңғай техникалық шешімдері  жоқ, тиісті унификациялық шешімдері орындалмаған ескірген жүйелер;

2)     уақытқа сай техникамен орындалған, бірақ технологиялық талаптары ескірген жүйелер;

3)     қазіргі уақытқа сай технологияда және аспаптарда орындалған СНГ аумағында жасалған аспаптармен орындалған үлгілер;

4)     әлемдік көшбасшы фирмалар орындаған, толығымен біткен жүйелер.

Автоматтандыру бойынша өндіріс нарығы техникалық шешімдерге бірыңғай шешім құру қажеттілігін әкелді: жабдықтарды, бақылауыштарды, программалық жабдықтарды, интерфейстерді унификациялау және оларды жалпы интеграциялау (жұмысын байланыстыру).

АБЖ-де интегратор – әр түрлі ішкі жүйелердің бір-бірімен әрекетін байланыстыруды орындайтын программа-техникалық кешен. Сонымен қатар, олардың жұмысын үйлестіру интегратордың міндетінде, сондықтан АБЖ құрамында тұрған ішкі жүйелерді өзгерту қажеттілігі болмайды.

Интегратордың басты міндеттері: ТПАБЖ-нің әр түрлі ішкі жүйелерінен немесе бақылауыштан мәліметтерді жинап, оларды өңдеп, түрлендіріп, бірыңғайлы форматқа келтіріп, жоғарғы деңгейде көрсетуге (визуализацияға) және архивке жинауға жіберу, әр түрлі ішкі жүйелердің арасындағы немесе бақылауыштардың арасындағы өзара әрекетін орындау.

Интегратордың қызметі:

-   өндіріс орталығында істеу (температура, ылғалдылық, вибрация және т.б.) үшін аспаптардың қажетті сенімділігін қамтамасыз ету;

-   жергілікті және өндірістік желі протоколдарының барлық түрлерімен байланыса алу;

-   модем және радиомодемдермен байланысу;

-   телекоммуникациялық протоколдармен және каналдармен байланысу;

-   синхронды және асинхронды ақпарат тасымалдау каналдарымен жұмыс істеу мүмкіндіктері;

-    SCADA жүйелерімен, МҚБЖ және жоғарғы деңгейдегі MMI-интерфейстермен байланысуды қамтамасыз ету;

-   жүйелер мен бақылауыштардың арасында интеграцияны орындайтын арнайы функциялар. Бұл топтағы функцияларды таңдау қолдануына байланысты.

Жиі жағдайда келесі функциялар қажет:

-   ақпаратты өңдеу функциялары, мысалы, дәлдігін және масштабын орнату;

-   кешендік басқару алгоритмдерін орындайтын  функциялар;

-   аспап-программалы құралдарды тестілеу және диагностика өткізу;

-   жүйеде ортақ уақыт орнату және оны астрономиялық уақытпен байланыстыру;

-   ішкі жүйелердің жұмыстарын синхрондау;

-   таңдалған көрсеткіштерді архивтеу;

-   ақпаратты буферлеу, мәліметтерді тасымалдау каналдарын резервтеу.

Жоғарыда көрсетілген функциялар экономикалық, техникалық және т.б. тұрғыдан қарағанда тиімді болуы керек.

Интегратордың архитектурасына қойылатын талаптар:

-   процессорлық платалардың өнімділігі әр түрлі болу керек;

-   енгізу, шығару модульдерінің саны көп болу керек;

-   коммуникациялық бақылауыштар және интерфейстер жиыны көп болуы керек.

Қазіргі уақытқа сай интеграторлар арнайы стандарт бойынша шығарылады: VME стандарты және протоколы. VME магистральдық модульдік протокол, мұнда көппроцессорлық шешім орын алған. Қазіргі уақытқа сай жергілікті протоколдар өндірістік желінің протоколдарымен жұмыс істей алады, сигналдары унификацияланған, RS232, RS485 интерфейстермін жұмысқа қатысу мүмкіндігі бар. IUC типтегі интеллектуалды бақылауыштар. VME аспабына қарағанда архитектурасы бойынша қуаттылығы төмен. Бұл екіпроцессорлық шешімде және орындалған бір түрдегі протоколда тұрғызылған. Бірақ осы протокол программа арқылы өзгертуге жатады. Compact PCI стандарты бойынша жасалған аппараттар. Бұл шешімде де  1-2 процессор қолданылады, ал артықшылығы көп түрлі енгізу-шығару құрылғалары бар, нақтырақ айтқанда мезониндер қолданылады. Бұл белгісіз, жаңа  интерфейстерді қосуға арналған арнайы  құрылғы.

         Интегратордың программалық кешенінде ең алдымен операциялық жүйенің міндетін орындайтын программа болу қажет. Ол нақты уақыт операциялық жүйесі деп аталады. Нақты уақыт операциялық жүйелері: OS9; VxWorks; QNX; Стандарт IEC 1131 ISaGRAF.

2.3 Интегратор түрлері

2.3.1 Коммуникациялық сервер. Шлюз. Коммуникациялық сервердің (4 суретті қара) басты қызметі өндіріс протоколдарының (PROFIBUS, СAN, LON), төменгі деңгейдегі модемдердің және жергілікті желінің протоколдарының арасында өзара әрекеттесуін ұйымдастыру.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4 сурет -  Коммуникационды сервердің құрамы

 

2.3.2 Концентратор (мәліметтер сервері). Концентратор коммуникациялық сервердің міндетіне қоса, төменгі деңгейден тікелей мәліметті жинап, мәліметті көрсету және архивтеу үшін жоғарғы деңгейге жеткізеді.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


5 сурет -  Концентратор қурамы

 

2.3.3 Интеграциялық сервер. Әртүрлі ішкі жүйелерді бір ТПАБЖ-не интеграциялау қызметін орындайтын қуаты жоғары сервер.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 6 сурет -  Интеграциялық сервер

Бұл типтегі интеграторлар концентратор қызметін атқарады, мәліметтерді өңдеу функциялары бар, кешендік басқару алгоритмдерін орындайды және жүйеде бірдей уақытты тұрақты ұстайды.

Интегратор қолданатын ТП АБЖ  артықшылығы:

-   әртүрлі өндірушілер шығарған ішкі жүйелердің арасында интеграция орындалады.

-   қызметінің саны өседі;

-   стандартқа жатпайтын қондырғыларды қолдануға болады;

-   алгоритмді өсіруге мүмкіндік бар;

-   сенімділік өседі және резервтеу есептері оңай шешіледі.

3 Дәріс. Басқару жүйесінің  қазіргі уақыттағы даму тенденциялары. SCADA жүйелер

Дәрiстердiң мақсаты: өндiрiстiң қазiргi басқару жүйелерi, басқарудың программалық-техникалық кешендерiндегi негiзгi ұғымдарын ашу.

3.1 SCADA жүйелер және программа-техникалық басқару кешендері

 

Басқару программалық-техникалық кешендер [7] көмегімен іске асады. Программалық-техникалық кешендерге басқару пирамидасының деңгейлері жатады. Төменгі деңгейдегі құралдар көбісінде техникалық болса, жоғарғы деңгейдегі құралдар программалық болады. Ол программалардың түрлері: ERP, MES, SCADA пакеттері.

ERP, MES, SCADA пакеттері – бұл өндірістік процестерді басқару жүйесін құруға арналған инструменталдық құралдар, олар бөлімшелердің, өндірістердің арасындағы қатынастарды ретке келтіріп, оларды өндіріс жобаларын қамтамасыз ету, бақылау, есеп беруге міндеттейді. 

SCADA - бұл Supervisory Control And Data Acquisition ағылшын терминінің қысқартылған түрі,  диспетчерлік басқару және мәліметтерді жинау. SCADA жүйелер көп жағдайда тек өндірістік автоматтандыру деңгейіне ғана жауапты, ол түрлі датчиктер мен кіріс-шығыс құрылғылардан мәліметтерді алу мен алынған ақпаратты визуалдау және оны архивтеумен  байланысты.

Осы жүйелердің ішіндегі ең дамығандары тек мәліметтерді ішкі базада сақтап қана қоймай, сонымен қатар базаларды инженерлік алгоритмдерге сәйкес басқару қасиетіне ие. Сонда жүйе автоматтандырылған ғана емес, сонымен қатар автоматты болады, яғни оператордың қатысуынсыз. Тек өндірістің ең жауапты бөлімдері ғана оператормен орындалады: апатқа қарсы қорғаныс және сигнал беру.

SCADA жүйелердің инструменталдық құралдары:

-  жүйені басқару нысаны «Оқиғалар» болуы мүмкін, бұл – жүйе үшін біршама маңызы бар пайда болған жағдай (мысалы, резервуардың толық толтырылуы немесе қайсыбір процестердің аяқталуы және т.б);

-  графиктер қарпайым графикалық нысандардың жиынының негізінде құрылады, дәлірек айтсақ: тікбұрыштар, эллипстер, нүктелік бейнелеу, кесінділер, қисықтар, сынықтар, мәтін, символдар. Әр нысанда басқа нысандағы сияқты қасиеттердің жиыны бар. Олардың барлығы бақыланатын құрылғылардың көрсеткіштерімен тікелей байланысты бола алады, ал көрсеткіштердің күйі графикалық нысандардың әрекеттерін анықтайды.

-  SCADA есептемесі - бұл кейбір өндірістік көрсеткіштерді бейнелейтін, сұраныс бойынша немесе қайсыбір оқиға пайда болғанда периодты түрде берілетін құжат, мысалы, SCADA – жүйелерін қосқан кезде қайсыбір айнымалының күйі өзгергенде немесе күннің белгіленген уақытында. Есептемелер қолданушыға ыңғайлы кез келген форматта жасалуы мүмкін. Оның құрамына форматталған мәтін, оперативті және жиналған ақпарат және тіпті  математикалық есептеулердің нәтижелері кіруі мүмкін. Сонымен қатар есептемелер кейбір командалардан да тұруы мүмкін:  өндірістік көрсеткіштерді алмастыру, нұсқауларды қосу, диагностика орындау, қоспа құрамын өзгерту және т.б. Есептемелерді экран бетіне, қағаз бетіне шығаруға, және дискте сақтауға болады. Есептемелерді мәтіндік редактордың кез келген құралдарымен өңдеуге болады. Оларды мәліметтер қорында автоматты түрде сақтауға болады.

-  SCADA-жүйесінде рұқсатсыз кіруден қорғау жүйесі парольдік жүйе негізінде іске асқан және жүйемен жұмыс істеу кезінде жүйеде түрлі құқықтары бар қолданушы топтарын ұйымдастыруға мүмкіндік береді.  Әр графикалық нысан, терезе, тренд, есептемені және т.б. жүйенің белгілі бір бөлігімен байланыстыруға болады және оларды қарап шығу немесе қолдану деңгейін қолданушыға орнатуға болады. Қолданушы жүйенің кез келген компьютерінде жұмыс істей алатындықтан, қол жеткізу құқықтарын беру клиентпен емес, сервермен бақыланады, ауқымдық желіге рұқсат қойылады.

-  Кіріс/шығыс құрылғылардың қызметін қайталау арқасында SCADA жүйелер толық резерв жасау мүмкіндігі бар конфигурацияны қолдайды. Бір құрылғыны негізгі, басқасын резерв түрінде анықтап, келісім берілмеген жағдайда SCADA жүйе біріншісінен басқасына автоматты түрде ауысады. SCADA жүйелердің бақылау параметрлерінің өзгертулерін негізгі, сонымен қатар резервтік құрылғыға жазу мүмкіндіктері бар.

 

 3.2 SCADA жүйесі негізінде АБЖ-н жобалау кезеңдері

 

SCADA жүйесі негізінде АБЖ-н жобалау кезеңдері:

-   жалпы автоматтандыру жүйесінің архитектурасын жасау;

-   әрбір буын үшін қолданбалы басқару жүйесін құру;

-   қолданбалы жүйелердің параметрлерін төменгі деңгейдегі құрылғылар алмасатын ақпаратпен сәйкестендіру;

-   құрылған қолданбалы программаны эмуляция және нақты режимде ретке келтіру.

SCADA жүйелердің негізгі көрсеткіштері мен сипаттамалары:

-   сүйемелденетін программалық платформалардың түрлері;

-   желілік сервистің жоғарғы деңгейі;

-   мәліметтер қорын жобалау тілдерінің түрлі синтаксисін қолдау;

-   GUI стандартты функцияларды қолдау;

-   қолданушы мемлекет тілін қолдау;

-   ашықтық: процестер арасында мәліметтерді берудің жаңа құралдарымен ( OLE –Object Linking and Embedding- объетілерді қосу және құру(встраивание)), программалық құрылғылардың мәлімет алмасу  стандартымен (OLE for Process Control), қондырылатын программалық нысандармен ( ActiveX) жаңалануға мүмкіндігі болуы;

-   жылдамдығы және қызметтерін нақты уақыт масштабына жақын уақытта орындау.

Программалық өнімдердің даму тенденциялары келесіде:

-   арнайы программалық аппараттар платформасын кеңейтуде;

-   желілік қызмет деңгейін кеңейтуде;

-   жоғарғы деңгейлі программалау тілдерін қосу;

-   қолданушының графикалық интерфейсі деңгейін көтеру;

-   құнын азайту;

-   басқа программалық өнімдердің мүмкіндіктерін пайдалану, мысалы графикалық функцияларды көбейту, әр түрлі мәліметтер қорымен байланысу, драйверлерді көбейту, енгізу-шығару серверлерін көбейту;

-   нақты уақытқа жақындату;

-   MES жүйелердің мүмкіндіктеріне жақындату;

-   Web түйіндерге ақпарат беру.

 

3.3 SCADA жүйесіндегі программа кешендерінің мысалдары

 

Қазақстанда SCADA жүйелерді іске қосу жағынан көшбасшы болып Siemens фирмасы табылады, олардың  контроллерлері  Simatic*. Мысалы ретінде, ол ProToolPro және WinCC программа кешендері.

ProToolPro SCADA жүйеге екі бірлік кіреді. Ол PTPConfiguration System (CS) оператор панелдерін құрастыру, оператор панелдерінің программасын жазу және PTPRuntime (RT) нақты уақытта жұмыс істеу, яғни технологиялық процесті нақты уақытта көрсету.  ProToolPro  ол ең қарапайым, орташа күрделі автоматтандыру жүйелерге арналған визуалдау функциясын іске асыру, архив құрастыру, мәліметтерге нақты уақытта хаттама құрастыру программа кешені. WinCC SCADA жүйенің бірнеше болжамдары бар. Олар тренд санымен, интерфейстің ыңғайлылығымен тәрізді функциялар түрлерімен ерекшеленеді. Осы программаның ақпараттық қуаты жоғары автоматтандыру жүйелеріне қолданылады.

СНГ аймағында шығарылған ең белгілі SCADA жүйесі ол автоматтандыру жүйелерді жобалау және диспетчер тақтасын жасауға арналған интегралды кешен - Trace Mode. Осы программа бірнеше болжамда орындалған. Дегенмен, соңғы жылдары үлкен фирмалардың конкуренциясына шыдамау себебінен өзінің әйгілігігін жоғалтты. Trace Mode SCADA жүйесі екі программалық бірліктен құрылған:

-  автоматты басқару жүйені жобалау программа аспаптары: канал базасының редакторы (жобаның құрамын жасау және мәліметтерді математикалық өңдеу және басқару), мәліметтерді көрсету редакторы (канал базасында жасалған жобаның графикалық құрамын орындау).

-  нақты уақытта процестің орындалу модулі (шаблон редакторы).

 

Автоматтандыру процестерін жобалау мен визуалдау программасының мысалдары:

Аты                                       Фирма                                   Мемлекет

Factory Link                  US DATA Co                        АҚШ

In Touch                       Wonderware                           АҚШ

Genesis                         Iconics                                    АҚШ

WinCC                          Siemens                                   Германия

Real Flex                       BJ Software Systems               АҚШ

RsView                         Rockwell                                 АҚШ

Simplicity                      Fanuc Automation                   Ресей

 

4 Дәріс. Интегралданған басқару жүйелерін жасау  программа кешендері

 

Дәрiстiң мақсаты: қазiргi интеграцияланған басқару жүйелерiнiң программалық кешендерiнiң құрамы, тағайындауы, жобалауы ерекшелiктер туралы  негiзгi ережелер ашылып берілген.

 

4.1           SCADA жүйелердің енгізу-шығару драйверлері

 

Енгізу-шығару драйверлеріне байланысты орындалатын программа бірліктері бар. Толық жүйенің сипаттамасы осы программалардың иiлгiштiгіне, жылдамдығына, әмбепаптығына тәуелді. Сондықтан осы жағдайға назар аударайық. SCADA жүйелері үшін драйверлерді дайындаудың екі жолы бар: стандартты технологияларды қолдану және инвариантты компиляторды шығару.

Инвариантты компилятор – қосылатын құрылғының интерфейсіне сәйкес компиляция кодын өздігінен табатын компилятор.

Стандартты технологияда DDE технологиясы, OLE (Object Lincing and Embedding for Prozess Control); OPC Toolkits: OPC Server Toolkit және OPC Client Toolkit жүреді. COM технологиясы (Component Object Model) операциялық жүйе элементтерінің арасында мәлімет алмасуға арналған; RTX - Real Time Extension технологиялары нақты уақытта жұмыс істеу жылдамдығын үдетеді. Мысалы, RTX 4.1 нақты уақытта бірнеше процесті қатар орындауды қамтамасыз етеді.

Технология COM-Component Object Model технологиясы – ол операционды жүйе элементтерінің арасында мәліметтерді алмасуын жүзеге асырады. Операционды жүйенің элементтері ретінде SCADA пакеттің  активті  Active X моделдері қолданылады. Active X моделдері толықтырылып тұрады, оны бір жағынан операционды жүйенің шығарушылары, екінші жағынан  SCADA пакет шығарушылар толтырып тұрады. Сондықтан  SCADA программасын жасайтын фирмалар Active X нысандардың және драйверлердің түрлерін толтырып тұрады. Осы программа бірліктерінің ерекшелігі олар нақты уақытта жұмыс істей алады. Нақты уақытқа жақындаған операционды жүйе - Windows NT операционды жүйесі болып табылады.

Сонымен қатар операционды жүйелердің жылдамдығын нақты уақытта өсіретін қосымша программалар болады. Ол мысалы,  RTX - Real Time Extension программа қосымшасы. Мысалы, осы программаның бір түрі RTX4.1, ол программа 128 деңгейлі маңыздылығы бар нақты уақытта бірнеше технологиялық процесті бақылауға арналған.

SCADA жүйенің тағы да бір ерекшелігі – әр түрлі контроллерлерді қосу мүмкіндігі. Осы жағдайда аппаратты драйверлер жасау мәселесі туындайды. Бұл мәселе инвариантты драйверлерді қолданумен байланысты.

 

4.2           Контроллердің программалау тілдері

 

2000 жылдың басында Ресейде ULTRALOGIC контроллерлер пайда болды, олардың аты басқа түсініктен шыққан – олар өндірістік контроллердің программа жүйесін дайындау болып келеді. Осы түсініктемеге контроллерлердің негізінде автоматтандыру жүйені жобалау стандарты жатады.

ULTRALOGIC стандартты программалау тілдеріне келесі тілдер жатады [1-3]:

-   Sequential Function Chart (SFC) – тізбекті функционалды блоктар жиынтығының тілі.

-   Function Block Diagram (FBD) – функционалды блок диаграммалар тілі.

-   Ladder Diagrams (LD) – реле диаграммалар тілі.

-   Structured Text (ST) – құрамды текст тілі.

-   Instruction List (IL) – инструкциялар тілі.

SFC и FBD – электронды схема түрінде жазылады (инженерлер үшін), ал ST и ILАссемблерге жақын тіл.

ULTRALOGIC функциялары жиынтық кітапшасы функциялар ретінде элементарлы функциялар мен қатар стандартты П, ПИ, ПИД реттеу, сигналдың фильтрациясын орындау, берілген параметрлерін тұрақтандыру функциялары кіреді. Сонымен қатар, математикалық статистикалық есептің  функционалды блоктары сигналды өңдеуді жеңілдетеді. ULTRALOGIC контроллерлерін басқару нысаны мен формалды түрде аналогты және дискретті кіріс-шығыстармен байланысқан «қара жәшік» ретінде қарастырылады. ULTRALOGIC басты контроллердің аппарат платформасына байланыссыз болады. Ол үшін жүйеде инвариантты компилятор болады. Ол аппарат туралы ақпарат және оның конфигурациясы туралы алдын-ала дайындалған мәліметті қолданып, міндетін орындайды. 

ULTRALOGIC программалық жиынтығына жоба менеджері, отладчик және загрузчик кіреді.

Менеджер міндеті: айнымалыларды енгізіп, өзгерту. Контроллердің аппаратты конфигурациясын жинастыру. Программаларды жазып, өзгерту. Жобаның компиляциясын орындау.

Отладчик міндеті: айнымалыларды қарастыру. Осциллографтан графикке шығару және зерттеу. Қадам бойынша отладка.

Загрузчик міндеті: драйверлерді қосу және программаны орындау.

 

6 сурет -  Жүйенің  функциясы цикл бойынша міндетін қайталау

 

6 суретте еркін программаланатын контроллерді жүйенің  функциясы цикл бойынша міндетін қайталау циклограммасы келтірілген. Циклограмма еркін программаланатын контроллердің программалық ерекшелігін көрсетеді.

Қайталау келесідей орындалады [2]:

-кіріс сигналды оқу,

-программаны бір рет орындау,

-программаның қорытындысын шығыста шығару,

-жоғары деңгейдегі желі мәліметтермен айырбас жасау.

FBD тілінің негізгі мысалдары:

-   Бинар функциялар:  NOT, AND, OR, XOR, SET, RESET.

-   Басқару функциялар:  RETURN, GOTO, СALL, TSTART,  TSTOP, GSTART, GSTOP.

-   Арифметикалық функциялар: ADD, SUB, DIV, MUL.

-   Салыстыру функциялар: =, <>, >, <, =>, <=.

-   Математикалық  функциялар: ABS, EXPT, LOG, SQRT.

-   Тригонометрикалық функциялар:  АCOS, ASIN, ATAN, COS, SIN, TAN.

 

4.3 Ақпаратты алу және өңдеудегі қолайлы автоматтандырылған жүйелердің дамуы

 

Қолайлы автоматтандырылған жүйелер [2,7,8] деп -  қолданушы өз ыңғайына қарай өзгертуге, қайта жасауға, модульдердің құрамын, байланыстар мен программалық шешімдердің конфигурациясын өзгертуге болатын жүйелерді айтамыз.

Қазіргі қолайлы автоматтандырылған жүйелер микропроцессорлық элементтен тұратын жабдық. Төменгі өлшеу деңгейі  интеллектуалды датчиктерден тұрады (микропроцессормен жабдықталған сезімтал элементтер). Келесі деңгейде басқару мен реттеуге ЕПЛК қолданады. Байланыс деңгейіндегі  интерфейстер сондай микропроцессорлы түрлендірушілерден тұрады және ең соңында өңдеу кезінде микропроцессордың есептеу мүмкіндіктерін пайдалану, яғни дербес компьютерді қолдану.

Егер автоматтандыру параметрлері 100-ге дейін болса, онда мұнда виртуалды құрал қолданылады. Құрал – бұл өлшеуші түрлендіргіш, арнайы программалық  қамтамасыздандырумен жабдықталған ақпаратты жинау платасы мен компьютер. Егер виртуалды құрал дербес компьютерде жасалса,  онда оның өндірісте қолдануына оның «қорғансыздығы» кедергі болады, осы кезде  келесі шешу жолдары орын алады:

 -жергілікті өлшеу және мәліметтер өндірістік контроллер ЕПЛК-дан алынады. ЕПЛК өлшеу аймағын кеңейтеді, сонымен қатар параметрлер санын көбейтеді.

- қолайлы автоматтандырылған жүйелердің келесі даму сатысы өндірістік желілер. Қазіргі кезде қолайлы автоматтандырылған жүйелердің дамуы программалық бағдарламалар мен аппараттың сымсыз мәліметтерді беру жолымен дамуда.

Қолайлы автоматтандырылған жүйелердің негізгі басты мәселесі - аппараттың сенімділігін және ақпаратты қорғауды арттыру.

Қолайлы автоматтандырылған жүйелерді қолдану  ерекшеліктері:

- жүйені оптимизациялау есептері жылдам шешіледі;

- жүйенің мониторингі жасалады;

- тұрақты бақылау мен апат жағдайларынан қорғану орындалады;

-программалық және аппараттық қамтамасыздандырулар жаңа технологиялар мен стандартқа оңай өзгертіледі.

 

5 Дәріс. Бастапқы ақпаратты өңдеудің үлгілі алгоритмдері

 

Дәрiстiң мақсаты: интеграцияланған программалық-техникалық кешендердiң ортасындағы iске асыру мақсатымен қазiргi автоматтандырылған басқару жүйелерiнiң негiзгi есептерiнiң формализацияланған ұсынысына үйрену.

2 к е с т е - Арифметикалық операциялар

 


          Модуль есептеу

 

  Түбір асты

 

          бөлу

 

          көбейту

 

          алу

 

          қосу

 

Кушейту

Масштабтау

 

 

3 к е с т е - Сызықсыз түрлендіру

       Шығыс сигналды шектеу

 

Макс,миним табу шектеу

 

Сезімтал аймағын табу

 

Үзікті сызықты аппроксимация

 

 

 

 

4 к е с т е - Аналог сигналдың динамикалық түрлендіру алгоритмі

Орындалатын операция

 

Графикалық белгісі

 

Х(t) сигналдың интегралын табу

 

 

Х(t) сигналдың дифференциалын табу

 

Фильтр, қатенің демпфері, тұрақты уақыты Тф

 

Статикалық сипаттамасы

 

 ПИД үзіксіз алгоритімі

 

Жылжыту,кешіктіру

 

 

 

         5 к е с т е - Аналогты-дискретті түрлендіру алгоритмдері

Екі шекті мәннің сигналы (айнымалы шектер)

 

 

Стат. сипаттамасы

 

Шекті мәннің сигналы (айнымалы шек)

 

Шекті мәннің сигналы (тұрақты шек)

 

Орынд операция

 

Графикалық белгісі

 

Аналогты сигналды қосып/ айыру

 

Турақты жылдамдықты ОМ-ға импульсты команданы құрастыру

 

 

 

6 к е с т е - Логикалық түрлендіру алгоритмдері

 

  

6 к е с т е н і ң жалғасы

Электромагнитті реле схемасы

 

Технологиялық процесстерді автоматтандыруда жиі қайталанатын есептер кездеседі. Ол есептер толық жүйеде немесе жеке жүйенің модульдарында кездеседі [9]. Автоматтандыру есептерінде жиі қолданатын амалдардың барлығын стандартты алгоритм блогына көрсетуге  болады.Ол  алгоритмдерді үлгілі ақпаратты бастапқы өңдеу алгоритмі деп атаймыз.

Осы үлгілі алгоритмдерді формалды түрінде көрсету ыңғайлы болады. Формалды түрде көрсетілген алгоритм қондырғыда немесе контролердің программасы түрінде іске асырылады. Автоматтандыру аналогты құрылғыларда жасалған кезде технологиялық есептердің шешімдері құрамды алгоритм  жиынтығы түрінде келтіріледі. Алгоритмнің әр блогы бір модульдың функциясын көрсетеді немесе қатаң программаның бір операторы болады.   Осындай шешімдер санды техника пайда болған кезден бастап кең қолданылады. Сондықтан осы лекцияның тақырыбы үлгілі алгоритмдер болады, осы алгоритмдердің шешімдері контроллердің программа кешендерінде бар.

 Үлгілі алгоритмдер аналогты сигналдарды статикалық және динамикалық түрлендіру, аналог дискретті түрлендіру, логикалық түрлендіру болып бөлінеді. Берілген сигналдың статикалық түрлендіру (контроллердің кіріс және ішкі сигналдарын) арифметикалық өңдеу (1кестені қара) және сызықсыз өңдеу болып бөлінеді (2 кестені қара). Динамикалық түрлендіру алгоритмі (3 кестені қара)

 

7 сурет -  Жылу шығынын есептеу алгоритмі

 

аналогты  сигналдың өңдеу (демпфер баптау, дифференциалдау және интегралдау, кешіктіру және реттеу) болып табылады. Аналог-дискретті түрлендіру (4 кестені қара) алгоритмдер қорғау жүйелерде, бақылау және сигнал беру жүйелерде қолданады. Логикалық түрлендіру алгоритмдері (5 кестені қара) басқару функцияларды іске асырады, бақылау функцияларда, қорғау және сигнал беру немесе реттеу функцияларда қолданады.

Алгоритм құрастыру мысалдарын қарастырайық. Есеп беру: сәйкес кіріс аналогты сигналдарды үзіксіз өлшеу кезінде жылуалмастырғыш аппараттың шығыс құбыр жүйесінің жылытылатын жұмыс аймағына берілетін жылу мөлшерін есептеу үшін алгоритм схемасын (АЛС) құрастыру керек.  Есеп формуласы:  Q1= c1 х G1х (T1 11-  T1 1), бұнда  c1 – жылытылатын  ортаның меншікті жылу сыйымдылығы; G1- құбырды жүйеден жылынатын ортаның шығыны; T1 1 ,T1 11- құбыр жүйесінің кірісінде және шығысындағы ортаның  температурасы. Есептің шешімі 7- суретте берілген.

 

 

6 Дәріс. Жергілікті реттеу жүйенің программа-техникалық кешені

 

Дәрiстiң мақсаты: автоматтандырудың жүйелерiнiң маңызды класстарының - технологиялық параметрлердiң реттеуi жүйелерi туралы негiзгi ережелерiне, реттеудiң математикалық негiздерiнiң ұсыныстарына үйрену.

 

6.1 Қазіргі уақытқа сай жергілікті реттеу жүйелер

 

Өндірістік технологиялық параметрларды реттеу автоматтандыруда бір ерекше есеп болып келеді. Бесінше дәрісте осы есеп формалды түрде аналогты сигналды динамикалық түрлендіру есебі болып көрсетілген. Осы дәрісте технологиялық параметрларды (ол шығын, қысым, температура, деңгей, жылдамдық, кернеу, орын ауыстыру) реттеу есепті толық қарастырамыз. Санды реттеуіштер микропроцессорлы бақылауыштар  программасының басты бөлшегі болып келеді. Микропроцессорлы бақылауыш датчиктердің сигналдарын сұрастырады, қажетті реттеу заңы бойынша басқару сигналды есептейді, содан кейін орындаушы механизмге береді. Реттеуіштің міндетін анықтау үшін реттеу есепке әртүрлі шектеу талаптарды қою қажет. Ол үшін объектінің көбісін  үлгілі түрге келтіреміз. Объектіге түсетін сигналдың да түрлерін қажетті түрге келтіреміз. Сонда ғана анықтау, зерттеу және заңды дәлелдеп құрастыруға болады. Реттеуіштің функциясын дұрыс анықтау үшін реттеу есебінің шарттарын азайту қажет [9].

-       Объектке әсер етудің түрлері  бойынша:

-       Секірістік бірлік әсер.

-       Сызықтық-өспелі әсер.

-       Парабола,синусоида, эллипс түріндегі және де басқа да екінші ретті теңдеумен өрнектелетін  әсерлер.

-       Стохастикалық әсерлер.

Объектердің типтік сипаттамалары - статикалық, бірінші ретті астатикалық және екінші ретті астатикалық.

Статикалық объекттер-бұл объекттің кірісіне секірістік сигнал беретін болсақ, шығыс сигнал кіріс сигналымен  бір уақытта тұрақтанады. Бұл объектілер сызықты теңдеумен өрнектеледі.

Бірінші ретті астатикалық объекттер-бұл объекттің кірісіне секірістік сигнал берген сәтте, шығыс сигналы сызықты түрде өзгереді. Бұл объектілер бірінші ретті дифференциалды теңдеулермен өрнектеледі.

Екінші ретті астатикалық объекттер-бұл объекттердің кірісіне секірістік сигнал берген сәтте, шығыс сигналы бейсызықты түрде өзгереді. Бұл объектілер екінші ретті дифференциалды теңдеулермен өрнектеледі.

Практикада объектілердің көп түрін бірнеше үлгілі көп кездесетін беріліс функциясына шектейміз.

Типтік басқару объектілері:

-      1-ретті инерционды объект;

-      2-ретті кешігу уақыты бар инерционды объект;

-      1-ретті кешігу уақыты бар интегралды объект.

Типтік реттеу заңдары:

-      үзіксіз ПИД реттеу заңдылығы;

-      импульсті ПИД реттеу заңдылығы;

-      екіпозиционды импульсті (релелі) реттеу;

-      үшпозиционды импульсті (релелі) реттеу.

Релелі реттеудің артықшылықтары шапшаңдылығы және қарапайымдылығы. Релелі реттеудің кемшіліктері автотербеліс ықтималдылығы. Реттеу есептерінің 80 %-ы үзіксіз ПИД реттеумен орындалады. Технологоялық процесс көп мәнді боғанда аналогты үзіксіз алгоритм шартсыз кең колданады.

Объекті туралы толық ақпарат болмаған жағдайда, әр түрлі бөгет сигналдар әсер еткенде және объект каналдардың арасында өзара әрекеттері көп болғанда күрделі технологиялық процесстермен басқару есебін моделдердің және басқару алгоритмді синтезін формалды үлгілі әдіспен өткізуге мүмкіншілік бермейді. Осындай жағдайда айқын емес жиындардың әдiсi, робасты, адаптивті, ситуационды және басқа үлгілі емес басқару түрлері қолданады. Сондықтан, жалпы түрде ақпараттық басқару жүйелердің түрлерін келесі кластарға бөлеміз: 

1)  Үлгілі (ПИД) реттеу және модернизациялалған ПИД-реттеу (адаптивті басқару, инвариантті басқару, өзін өзі бапқа келтіретін) шешімді қолданатын құрылымдар.

2)  Нейрон желінің алгоритмдарын қолданып басқаратын құрылымдар.

3)  Анық емес логиканың алгоритмдерін қолданатын басқаратын құрылымдар.

Осы құрылымдардың бір түрінен басқа түріне өткенде құрал жабдықтарды өзгерту қажет еместігін айтып кетейік. Айтылған ақпаратты басқару жүйелердің әрқайсысы өзінің алгоритмдерімен ерекшеленеді (контроллердің қолданбалы программасымен).

Реттеу есептердің шешімдері ЕПЛБ-ның программа кітапшасында болуы мүмкін. Дегенмен алайда, осы шешімдерге қосымша қаржы бөлуді  (көбiнесе керексiз аса жоғары) талап етеді. Программа кітапшада ереже түрінде үлгілі ПИД-реттеу алгоритм болады. Осы жағдайларды ескере үлгілі ПИД-реттеудің теоретикалық негізін қарастырып шығайық.

 

 

6.2 Үзіксіз (аналогты)  ПИД-реттеуі

 

Жергілікті санды реттеуіш ретінде басқару микроконтроллер немесе еркін программаланатын логикалық бақылауыш (ЕПЛБ) қолдануы мүмкін. Осы екі түрлі контроллерлар үшін санды реттеу шешімінің түрі әр түрлі болып көрінеді. Микроконтроллерде негізделген реттеуіш Ассемблер тілінде жазылған программа бірлігін талап етеді. ЕПЛБ-ның негізінде құрылған реттеуіш шешімді код түрінде емес алгоритм түрінде талап етеді ( 5-дәріске қара). Сондықтан үзіксіз ПИД-ретеуіштің математикалық негізін микроконтроллердің реттеуішін жасағанда қолдану қажет болады.

Әдебиетте үзіксіз ПИД заңының әр түрлі математикалық көрсетілімдері қолданады (6-8).

(6)

 

     (8)

 

   (7)

 

 

 Осы жазулардың бәрінде е(t) деген технологиялық параметрінің берілген және өлшенген параметрлерінің айырмашылығы болып келеді. Формулаларды сәйкестіре тура коэффициенттердің арасында байланыстарын жеңіл анықтаймызЕң кең колданатын формула (6).

 

7 Дәріс. Санды ПИД- реттеуіштің алгоритімі

 

Дәрiстiң мақсаты: қазiргi басқарудың микроконтроллерлерi және еркiн - программалалатын контролдарлар үшiн цифрларға ПИД- реттеуiшінің математикалық алгоритымының негiзі ашылған.

 

7.1 Басқару микроконтроллеріне арналған үзіксіз санды ПИД-реттеуіштің алгоритмі

 

Қазіргі уақытта регулятор есебінде сандық құрылғы ретінде басқару микроконтроллері қолданылады [6,10-13]. Алайда кез-келген сандық құрылғы үзіксіз сигналды дискретті түрде береді ( 8 суретке қара). Ал үзіксіз ПИД-реттеуіштің орындалуы уақыт бойынша үзілмеуі қажет.

8 сурет -  Санды қурыдғының уақытты кватқа бөлу

            

Суретте Тк – санды құрылғының кванттау периоды. Үздiксiз реттеуiштiң программалауларын құрастыру негiзгi мәселесі үзiлiссiздiктiң қажеттiлiгi және басқару сигналды квантқа бөлу қажеттiлiктiң аралығында қарама-қайшылықтарды жою болып табылады. Дегенмен, санды реттеуіштердің дәлдігі аналогты реттеуіштердің дәлдігінен жоғары болатыны практикада дәлелденді.

Математикада осы проблеманы соңғы айырым түсінігі қолданады. Үзіксіз сигналды құрылғыда көрсету үшін соңғы айырым түсінігі қолданылады. Үзіксіз сигналдың әр жаңа мәні сол мәнді өзіне дейінгі мәнмен салыстыру түрінде көрсетіледі: .

Сонда үздіксіз Т уақытын дискретті Тк уақытына алмастырып келесідей теңдеу түрін аламыз:

     (9)

 
  .

k=1,2,3...

Басқарушы сигналдың өсімшесі түріндегі теңдеуі келесідей болады:.

Басқарушы сигналдың өсімшесі түріндегі теңдеуі

,

.

Олай болса, басқару микроконтроллеріне арналған санды ПИД реттеудің алгоритмінің құрылымдық сұлбасын 9-суреттегідей бейнелеуге болады.

 

Структурная схема скоростного ПИД-регулятора

9 сурет -  Сандық ПИД реттеу алгоритмінің құрылымдық сұлбасы

 

Автоматты реттеудің жалпы теориясында реттеуіш құрылымы басқару объектісінің моделінің негізінде таңдалынады. Күрделі басқару объектілеріне күрделі реттеуіштер сәйкес келеді (10-суретті қара).

10 сурет -  Кешігуі бар басқару объектілеріне арналған модальды санды реттеуіштердің алгоритмі

 

Көпшілік объектілердің ерекше сипаты болып олардың басқару және өлшеу каналдарындағы едәуір кешігу уақытына ие болатындығы табылады. Объектілерде кешігудің орын алуы тұйық жүйенің динамикасына кері әсер етеді. Кешігудің орнын толтыру үшін оның құрылымына басқару объектісінің шығыс сигналдарының анықтауышы енгізіледі.

Астатикалық реттеуіш күйінің ең жақсы құрылымын модальды санды реттеуіштер іске асырады. Модальды санды басқару теориясын қолдану астатикалық реттеуіш күйінің параметрлерін есептеуді едәуір жеңілдетеді.

Реттеуіш синтезі есебін шығара отырып, келесі алдын-ала әрекет ету блогы (блок упреждения) бар басқарудың санды құрылымы алынды (10 суретті қара).

 

7.2 Санды ПИД-реттеуіштің кванттау периодын таңдау

Уақытты квантқа бөлу эффекті санды реттеуіштің динамикасына әсер бермеу үшін кванттау периоды келесі аралықта алу абзал:

,

 
image039

бұнда: image041- объект кірісіне бірлік секіріс сигнал бергенде шығыс сигналы тұрақталған мәнінен 95% жеткен уақыты. Егер объект бірінші ретті болса сонда image043 болады. Квантталуды мерзiмнiң шамасының таңдауына басқа жол американдық ғалымдар  Зиглерлер және Никольстің ұсыныстарына негiзделген, оларды ұсынысы image045, бұнда image047- басқарылатын объектінің тербіліс болатын периоды. Мысалы, нақты шарттарда (сағатқа 1 рет газоанализаторында) инерция процесстерiн басқаруда 1 секундтен бірнеше минутқа дейінгі мәнді алады. Мысалы, аз инерциялы процесстерiн реттеуiнде (сұйықтар шығынның)  шама  секундтiң оныншы бөлiгін құрай алады. Әсiресе жауапты процесстер үшiн сұраудың үлкен мерзiмдерiн таңдауға болмайды, өйткенi авария ахуалына әсердің жылдамдығы төмендейді. Дегенмен, сұрауды өте аз мөлшерде таңдау контроллердiң жылдамдығына талаптарды жоғарылатады және шулардың ықпалын үлкейтедi.

 

7.3 Реле-импульсты реттеуіштер

 

Релелiк жүйелердiң реттеуiшi релелiк мiнездемесi бар статикалық буын болады [9]. Релелiк мiнездемелердiң  түрлерi: екi позициялы қарсы таңбалы, екi позициялы қарсы таңбалы гистерезиспен, қарсы таңбалы сезбеушiлiк аймақты үшпозиционды, қарсы таңбалы сезбеушiлiк аймағымен және гистерезиспен үшпозиционды.

Релелiк жүйелер екi класқа бөлуге болады. Бiрiншi класстың жүйелерiнiң нормалды жұмыс жасауын тәртiбі тербелмелi тәртiп болып табылады, басқарылатын объектіде бұл жағдайда әдетте интегралды буындар жоқ, гистерезистiк екi позициялы релелiк элемент қолданады. Екiншi класстың жүйелерiнiң нормалды жұмыс жасау тәртiбі автотербелiстердiң жоқтығы болып табылады. Басқарылатын объектіде мұндай жүйелерде әдетте интегратор болады, сезбеушiлiк аймағы бар үшпозиционды релелiк элемент қолданылады.

Бiрiншi класстың релелiк жүйелерiнiң мысалдары: электр жылытқыш құралдар және тоңазытқыш қондырғыларында, электр энергиясының электромеханикалық генераторларының кернеу тұрақтандырғыш қолданылатын температуралық стабилизаторлар.

Екiншi класстың релелiк жүйесiнiң мысалы - бұрылу бұрышының реттеуiн бапқа келтіретін жүйе.

Релелiк жүйелердiң қасиеттерi жақсы талқыланған. Релелiк жүйелердегi процесстердiң аналитикалық зерттеуi үшiн бiрнеше тиiмдi әдiстер жасалған: фазалық жазықтықтың әдiсi, жиiлiкті саралау әдiстерi және т.б.

Релелiк жүйелер тек қана келесi шарттар орындалған жағдайда басқарылатын объектіні тұрақтандыра алады:

1)  Басқару және қоздырушы әсерлер шектелген.

2)  Жүйеде кешiгу буындары болмайды (немесе объекттiң инерция буындарының кешiгу тұрақтысы едәуiр тұрақты уақытынан  аз).

3)  Жүйенiң сызықтық бөлiгi минималды-фазалық болып табылады және салыстырмалы (берiлiс функцияның алым және бөлiмiнiң ретiнiң аралығында айырым) ретi екiден артық емес болады.

Релелiк жүйелерiнде басқарылатын объектке әрдайым басқарушы әсер шектi мән әпередi. Мұндай жүйелер сондықтан ықшамдайтын шамалардың өзгерiсiнiң үлкен жылдамдықтарын алады және жылдамдық бойынша кейде ұтымды бола алады.

Релелiк реттеуiштердiң аса маңызды ерекшелiктерiне оңайлық, сенiмдiлiк, реттеудiң бiр қатар жағдайында онша жақсы емес реттеу көрсеткiштері болып табылады, кейде тiптi басқару объектілерін  тұрақтандыруға жарамсыз болғандықтан, олардың кең тарауына шек қойылады.

Релелiк жүйелер динамикалық объекттердiң теңестiруi үшiн қолданыла алатынын атап өтемiз. Объект ол үшiн релелiк жүйенiң тұйық контурына қосылады және пайда болатын автотербелiстердiң параметрлерi бойынша белгiленетiн объекттiң параметрлерiн анықтайды.

 

8  Дәріс. Қазіргі уақытқа сай контроллердің негізінде санды реттеуіштерді іске асыру 

 

Дәрiстiң мақсаты: қазiргi контроллерлердiң программалық-техникалық кешендерiндегi ПИД-реттеуi қолданудың жаттығу тұрғылары ашылған.

 

8.1 Реттеуіштерді бапқа келтіру әдістері

        

Реттеу теорияда реттеуiштердiң күйге келтiруiнiң әдiстерiне үлкен ықылас бiлдiредi. Бұл сұрақтың өзектiлiгi реттеудiң жаңа техникалық құралдарының пайда болуымен төмендемейдi. Осы пәнде [2-4] бұл микропроцессорлық  контроллерде  реттеу есептері iске асыру сұрағы қаралады, сондықтан практикалық көзқарасынан бұл сұрақты қараймыз.

Реттеуіштерді қолдану үшін ең алдымен олардың параметрлерін есептеу жүргізіледі. Қазіргі уақытта реттеуіш параметрлерін есептеудің көптеген түрлері мен әдістері бар, оларды жалпы келесі үш топқа жіктеуге болады:

-         жиіліктік әдістер;

-          инженерлік әдістер;

-         Циглер-Николс әдісі.

Жиілік әдістер автоматты басқару теориясын, реттеу құрылымының беріліс функцияларын қолданып есептеуге негізделген.

Инженерлік әдістер көптеген есептеулер мен тәжірибелерге негізделген, эмпирикалық жолмен табылған формулалар арқылы жүзеге асырылады.

 

7 к е с т е - Реттеушіні бапқа келтіру инженерлік әдісі

Баптау параметрл.

Реттеуіш үшін формулалар

Объект сипаттамасы

П

ПИ

ПИД

δ=1/k

Tи

TD

εобτоб

-

1,1εобτоб

3,3εобτоб

 

0,8εобτоб

2,5τоб

τоб

0< τоб/Tоб<0,2

δ=1/kp

 

          Tи

TD

2,6kобоб/Tоб-0,08)/ (τоб/Tоб+0,6)

 

-                       0,8Tоб

3,7 kоб(τоб/Tоб-0,13)/ (τоб/Tоб+1,5)

          Tоб

τоб

0,2< τоб/Tоб<1,5

δ=1/k

Tи

TD

2kоб

-

2kоб

0,6τоб

1,7kоб

0,7τоб

τоб

τоб/Tоб>1,5

 

 

8  к е с т е - Реттеушіні бапқа келтіру инженерлік әдісі

 

 

Мұндағы 7 кестеде келесі белгі қолданды εоб= kоб /Tоб.

Реттеуіш параметрлерін есептеудің тағы бір амалы 8 кесте ретінде келесі баптауларды қабылдауға болады.

Циглер мен Николс ПИД-реттеуіштерді баптаудың екі әдісін ұсынды. Олардың бірі объектінің бірлік секіріс сигналға жауабы параметрлеріне, екіншісі – басқару объектінің жиілік сипаттамаларына негізделген.

Бірінші әдісінің негізделген принципі болып пропорционалды буынның жүйені автотербелістерге алып келетіндігі табылады. Бұл әдіс автотербеліс шектерін анықтауға мүмкіндік береді. Циглер мен Николстың келесі заңдылықты анықтаған: П-реттеуіштің пропорционалдығының оптималды аймағы  автоматты реттеу жүйесі автотербелістер режиміне өтетін пропорционалдықтың зонасынан екі есе үлкен болады. Циглер-Николс әдісімен реттеуішті баптау формулалары 8 кестеге енгізілген.

 

9 к е с т е - Циглер-Николс әдісі

Реттеуіш типі

П

0,5

-

-

ПИ

0,4

0,85

-

ПИД

0,6

0,5

0,12

 

Циглер-Николс әдісі бойынша реттеуіштің баптауын келесі шартты алгоритммен жұргізуге болады:

 

1)  Пропорционалды реттеуіштің тұрақтылығы орындалатын шарт: .

2)  Жүйеге кері байланыс қосу және шығыс сипаттамасын бақылау.

3)  Егер автотербелістер жинақталмайтын болса, автотербелістерлің амплитудалары бірдей болмайынша пропорциналдық коэффициентін азайту.

4)  Егер автотербелістер өшпелі болса, пропорционалдық коэффициентін өсіру.

5)  Коэффициенттердің шектік мәндерін тіркеп отыру.

 

8.3 Siemens фирмасының контроллерларының стандартты  реттеу ПИД заңы

 

SIMATIC S7 бақылауыштарда [3,4] стандартты  үздіксіз реттеу ПИД заңы  стандартты функционалды CONT_С (FB41) блогы арқылы орындалады. Осы  функцияны CONT_С толық қарастырайық. ”CONT_C” функция  SIMATIC S7 бақылауыштар арқылы технологиялық процестермен реттеуге үздіксіз кіріс және шығысы бар стандартты функция болып келеді.  

11 суретте функционалды блоктың алгоритмінің құрама схемасы берілген.

Суреттегі сигналдардың  келесі белгілеулері қолданған:

-       SP_INT – INTERNAL SETPOINT/ Берілген (тілетелген) мәннің кірісі;

-       PV_IN – PROCESS VARIABLE IN/ Датчиктен кері байланыс сигналының кірісі;

-       PV_PER – PROCESS VARIABLE PERIPHERY/ Технологиялық процестен сигналдың нақты мәні;

-       GAIN – PROPORTIONAL GAIN/ Реттеуіштің пропорционалды күшейту коэффициенті;

-       TI – RESET TIME/ Интегралдау уақыты;

-       COM_RST – COMPLETE RESTART/ Реттеуішті қайта қосу кірісі;

-       MAN_ON – MANIPULATED SIGNALS ON/ Реттеуіш сигналдардың қолша режимін қосу;

-       PVPER_ON - PROCESS VARIABLE PERIPHERY ON/ Технологиялық процестен нақты мәнін қосу ;

-       CYCLE – SAMPLE TIME/ Сұрау циклінің ұзақтығы;

-       DEADB_W – DEAD BAND WIDTH/ Сезімсіздік аймақ ені;

-       PV_FAC – PROCESS VARIABLE FACTOR/ Нақты мән көбейткіші;

-       PV_OFF – PROCESS VARIABLE OFFSET/ Нақты мән ығысуы;

-       DISV – DISTURBANCE  VARIABLE/ Сыртқы (возмущающее) әсер. Сыртқы әсерді «Возмущающее воздействие» кірісіне қосу үшін.

-       ER - ERROR SIGNAL / Реттеудің сәйкессіздігі, яғни берілген мәнмен өлшенген мәннің айырмашылығы. Осы шығыс бойынша әсер етуші реттеу сәйкессіздігі шығарылады.

-       INT_HOLD - INTEGRAL ACTION HOLD / I (интегралды) компонентті тоқтату. Интегратор шығысы тоқтатылуы мүмкін. Ол үшін “Замораживание I–компоненты” кірісі қондырылу керек.

-       TD  - DERIVATIVE TIME / Дифференциалдау уақыты.

-       TM_LAG - TIME LAG OF THE DERIVATIVE ACTION / D–компонент үзіліс уақыты. D–компонент алгоритмінде үзіліс мүмкіндігі бар, ол Время задержки D–компоненты кірісі арқылы параметрленуі мүмкін.

-       P_SEL - PROPORTIONAL ACTION ON / P–компонент қосу. PID–алгоритмде  PID-компоненттерді  жеке қосуға және өшіруге болады.  Егер “Включение P–компоненты” кірісі қондырылса, P–компонент қосылады.

 

11 сурет - ПИД-реттеудің құрама схемасы

 

-  I_SEL INTEGRAL ACTION ON /  I–компонент қосу.

-  D_SEL- DERIVATIVE ACTION ON / D–компонент қосу.

-  LMN_P - PROPORTIONALITY COMPONENT / “P–компонент шығысында реттеуіш әсердің пропорционалды компоненті бар.

-  LMN_I INTEGRAL COMPONENT / I–компонент шығысында реттеуіш әсердің интегралды компоненті бар.

-  LMN_D DERIVATIVE COMPONENT / “ D –компонент шығысында реттеуіш әсердің дифференциалды компоненті бар.

-  LMN_HLM MANIPULATED VALUE HIGH LIMIT / Реттеуіш мәннің жоғарғы шегі. Реттеуіш мән әрқашан жоғарғы және төменгі мәнімен шектеледі.

-  LMN_LLM MANIPULATED VALUE LOW LIMIT / Реттеуіш мәннің төменгі шегі.

-  LMN_FAC - PROCESS VARIABLE FACTOR / Нақты мән көбейткіші. “Множитель фактического значения” кірісі нақты мәнмен көбейтіледі. Кіріс нақты мәндер диапазонын келістіруге арналған.

-  LMN_OFF - PROCESS VARIABLE OFFSET / Нақты мән ығысуы. “Смещение фактического значения” кірісі нақты мәнмен қосылады. Кіріс нақты мәндер диапазонын келістіруге арналған.

-  LMN - MANIPULATED VALUE / Реттеуіш мән. “Регулирующее значение шығысы бойынша нақты реттеуіш мән жылжымалы нүкте форматы түрінде шығарылады.

-  LMN_PER - MANIPULATED VALUE PERIPHERY / Периферия үшін реттеуіш мән.

Алгоритм сипаттамасы: реттеуiшiнің SP кiрісіне технологиялық параметрдiң қажетті (берілген) мәнiн қосады. PVPER_ON қосқышын ауыстырып керектi мәнiнiң өлшем бiрлiктерiне байланысты 1 немесе 0 жағдайға тұрғызылады. Демек, егер қажеттi мән өлшемсiз шамаларда берілсе, онда сонымен бiрге реттелетiн технологиялық параметрдiң мәнi PV_PER технологиялық параметр кiрісіне қосылып, қосқышты 1 күйге орнатады. Қарсы жағдайда технологиялық параметр PV_IN кірісіне ал қосқыш 0 күйінде болады. Бұдан әрi айырмашылық сигналы қалыптасады, сезімтал буыны арқылы өте ER  реттеуiшiнiң шығысында тексередi, GAIN пропорционалдық коэффициентiне көбейедi және LMN_P шығысында пропорционал құрамы тексеріледi. Реттеуiштiң пропорционалды құрамы (пропорционал ) P_SEL  қосқышын қосып таңдайды, (интегралды ) I_SEL, (дифференциалды ) D_SEL iске асады. Реттеудi LMN_P, LMN_I, LMN_D әрбір жеке құрамдары және қорытынды LMN  қорытынды сигналы шығыста тексеріледi.

12-ші суретте бұл контроллердiң релелiк - импульсты реттеуiшiнiң алгоритмі келтiрiлген. Жоғарыда суреттеп айтылған алгоритмге айырмашылық  сигнал құрастыруды бас алгоритм  сол сияқты, ол әрi қарай аналогты техниканың белгiлiсiн кез келген релелiк - импульсты реттеуiштiң құрылымдық схемасына сәйкес келедi. Егер MTR_TM тұрақты уақытынан орындаушы механизм LMNR_HS, LMNR_LS түпкi жағдайда болмаса, релелiк элемент импульстер генераторы арқылы шығыс сигналы құрастырылады. Импульстердiң генерациясын TI интегралдау тұрақты уақыты функционалдық керi байланысты қамтамасыз етедi.

Simatic Manager библиотекасында  CONT_S (FB42) стандартты блок импульсты  ПИД – реттеуішті іске асырады.

”CONT_S”  функционалды блок технологиялық процестермен екілік шығыс сигналмен интегралды орындаушы механизмдермен SIMATIC S7 бақылауыштар арқылы басқаруға арналған. 12-ші суретте CONT_S функционалды блоктың алгоритмінің құрама схемасы берілген.

11- ші суретте келтірілмеген сигналдарға 12 суретке түсініктемелер:

-  PULSE_TM – MINIMUM PULSE TIME/ Импульстің минималды ұзақтығы;

-   BREAK_TM – MINIMUM BREAK TIME/ Үзілістің минималды ұзақтығы;

-  MTR_TM – MOTOR MANIPULATED VALUE/ Қозғалтқыштың тұрақты уақыты;

-  LMNS_ON – MANIPULATED SIGNALS ON/ Реттеуіш сигналдардың қолша режимін қосу;

-  LMNUP – MANIPULATED SIGNALS UP/ Қолша режимде реттеуіштің сигналын жоғарылату (больше);

-  LMNDN – MANIPULATED SIGNALS DOWN/ Қолша режимде реттеуіштің сигналын азайту (меньше);

-  LMNR_HS – HIGH LIMIT SIGNAL REPEATED MANIPULATED VALUE/ ОМ-ның «больше» бағытында жоғарғы шектік мәніне жету сигналы. «Сигнал достижения верхнего упора в ответном сообщении о положении» кірісіне «Исполнительный вентиль у верхнего упора» сигналы беріледі. LMNR_HS=TRUE: орындаушы вентиль жоғарғы тіреуде орналасқанын білдіреді;

-  LMNR_LS LOW LIMIT SIGNAL REPEATED MANIPULATED VALUE/ ОМ-ның «меньше» бағытында төменгі шектік мәніне жету сигналы. «Сигнал достижения нижнего упора в ответном сообщении о положении» кірісіне «Исполнительный вентиль у нижнего упора» сигналы беріледі. LMNR_HS=TRUE: орындаушы вентиль төменгі тіреуде орналасқанын білдіреді.

 

 

12  сурет Импульсті реттеуіш функциясы алгоритмінің құрылымдық схемасы

 

9 Дәріс. Заманауй контроллерлердiң жергiлiктi автоматикасының техникалық құралдар кешенінiң құрамы

 

Дәрiстiң мақсаты: автоматтандыруға арналған қазiргi серiктестiктердiң техникалық құралдарын құраммен танысу.

 

Автоматтандыру құралдары өндiрушi  фирмалардың әрқайсы заман тынысына сай тұжырымдамалары мен     стратегиянын iстеп шығарады. Siemens фирмасында  мұндай тұжырымдама-Totally Integrated Automation (TIA) болып табылады. Totally Integrated Automation (TIA)  - белгілі бір тапсырушының өндірістің барлық саласы үшін кешенді автоматтандырудың шешімдері- TIA кешенді автоматтандыру жүйесі A&D департаментінің стандартты компоненттерінің негізінде әртүрлі бағыттағы жіне әртүрлі дәрежедегі автоматты басқару жүйелерін құруға мүмкіндік береді.

Totally Integrated Power (TIP) - Бір тасмалдаушыдан энергияны тарату және  басқару бойынша кешенді проектілер. Өндіріс орындары, әкімшілік және кеңсе ғимараттары, сауда орталықтары, қонақ-үйлер, әуежайлар және емханалар. Коммерциялық және өндірістік ғимараттардың барлық түрлері үшін біз Total Integrated Power энергия тарату кешенді жүйесін қолдану арқылы проектілерді іске асырамыз.

«Автоматтандыру және жетектер» бөлімі келесі техниканы шығарып қамтамасыз етеді.

1.   Жетекті техника (қозғалтқыштар, қозғалтқыштарға арналған түрлендірушілер, қозғалтқыштарға арналған датчиктер, инструменталды БҚ, қосымша компоненттер)

2.   Автоматтандыру техникасы (программаланатын контроллерлер, үлестірілген кіріс-шығыс, программаторлар, ұсақ өндірістік желілер, автоматтандыру жүйелеріне арналған SIMOTION пен SINUMERIK кешенді жүйелер, өндірістік IT, SIMATIC HMI)

3.   PCS7 процессімен автоматтандыру, далалық автоматтандыру құралдарына арналған SIMATIC PDM (Process Device Manager) коммуникациялық программалық қамсыздандыру

Жетектік техникаға келесі қуралдар кіреді:

-       MICROMASTER, SINAMICS төменгі вольтті түрлендіргіштері.

-       SINAMICS, Perfect Harmony, SIMOVERT S жоғарғы вольтті түрлендіргіштері.

-       SIMODRIVE сервотүрлендіргіші.

-       Тұрақты ток түрлендіргіштері.

-       SIMOREG DC-MASTER.

Сонымен қатар жетекті техникаға әр түрлі қозғалтқыштар кіреді. Айнымалы ток электроқозғалтқыштары:

-       Төменгі вольтты электроқозғалтқыштар.

-       Стандартты электроқозғалтқыштар.

-       Энергия үнемдеуші электроқозғалтқыштар.

-       Моторредукторлар.

-       NEMA стандартының электроқозғалтқыштары.

-       Арнайы электроқозғалтқыштар.

-       Моменті үлкен электроқозғалтқыштар.

-       Сервоэлектроқозғалтқыштар.

-       Сызықты және тороидалды құрылатын электроқозғалтқыштар.

Жоғарғы вольтты электроқозғалтқыштар:

-       Синхронды электроқозғалтқыштар.

-       Асинхронды электроқозғалтқыштар.

-       Фазалық роторы бар электроқозғалтқыштар.

-       Жарылыстан қорғалған қозғалтқыштар.

-       Айналу жиілігі жоғары электроқозғалтқыштар.

Жетектің механикалық компоненттері:

-       Редукторлар.

-       Муфтылар.

-       Мультипликаторлар.

Автоматтандыруды қамтамасыз ететін өндірістік автоматтандыру жүйелері құралдарына келесі техника кіреді:

-       SIMATIC өндірістік контроллерлері.

-       SIMATIC HMI адам-машиналық интерфейсінің жүйелері.

-       SIMATIC PCS 7 үздіксіз процесстерді басқару жүйелері.

-       ДК негізіндегі автоматтандыру жүйелері.

-       Өндірістік компьютерлер, мониторлар, принтерлер мен ақпаратты еңгізу құралғылары.

-       Микросистемалар.

-       Өндірістік программалық қамсыздандыру.

-        Өндірістік кабельдер мен басқару шкафтары.

-       SIMATIC TDC сандық басқару жүйелері.

Өндірістік коммуникацияларды қамтамасыз ететін өндірістік желілер:

-       SIMATIC NET өндірістік желілері.

-       SCALANCE желілік компоненттері.

-       Industrial Ethernet.

-       PROFINET.

-       Мобильдік құрылғыларға арналған коммуникация.

-       Industrial Mobile Communication.

-       PROFIBUS.

-       AS-интерфейсі.

-       Желілік интерфейстер.

-       SINAUT телеметрия жүйелері.

Автоматты өндірістің басқа бағыттары:

-       Industrial Controls өндірістік бақылау жүйелері.

-       Төменгі вольтты коммутациялық аппаратура.

-       Motion Control орынауыстыруды басқару жүйелері.

-       Бақылау-өлшеуші құралдар мен анализаторлар.

-       Сенсорлар, датчиктер және өлшеуші жүйелер.

-       Қоректену көздері.

-       Industrial IT/MES өндірісті басқару жүйелері .

 

10 Дәріс. Қазiргi уқытқа сай контроллерлердiң басқаруының программалық-техникалық кешендерiнiң функционалдық құралдары

 

Дәрiстiң мақсаты: қазiргi уақытқа сай еркiн -программалалатын контролдарларда негізделген басқару жүйелерiнiң аппаратты -техникалық құралдарын таңдауға және жобалауға үйрену

 

10.1 Аналогты кiрiс және шығыс модульдер

 

ЕПЛБ негiзгi ерекшелiгі оның құрылымын модульды болғаны, яғни модельдер жиынтығына түрлі кiрiс және шығыс модульдер кіреді. ЕПЛБның кіріс модульдері ретiнде келесі модульдер қолданылады: енгiзу құрылымы, сигналдық модульдер, функционалдық модульдер, блоктердiң өзара әрекеттесуiн техника.

Енгізу шығару қурылғылар ретінде: аналогты кіріс құрылғылар AI, аналогты шығыс құрылғысы AO, дискретті кіріс құрылғысы DI, дискретті шығыс құрылғысы DO. Аналогты кіріс-шығыстар кернеулі стандарт сигналын 0 мен 10В аралығында және тоқ сигналы  4-20 мА аралығынды болады. Ал 4 до 20 мА ток сигналы басқа сигналдан ерекше тиімді болады, өйткені тұйықталған тоқтан карапайым қорғанысы бар.Тоқ 4 пен 20 МА аралықты сигнал келесі түрінде  косылады .

         Аналогты кірістің дәлдігі толық автоматтандыру алгоритімінің дәлдігіне сәйкес келеді. Сол дәлдікті өсіру үшін аналогты сигналды қосу схемасында ойластырып, құрастыру керек. Аналогты кіріс сигнал стандарт кернеу үшін 0-10 В, ал ток үшін 4-20 мА.

 

14 суретТоқ контуры 4 пен 20 мА аралықты

 

Ток контурде (14 суретті қара)  түрлендіргіш түсетін сигналы ЕПЛБ-ң кіріс сигналы 4мА-ден 250Ом кедергіден өтіп 1В сигнал береді. Егер де ЕПЛБ кіріс сигналына 0В берсе, ол кіріс датчиктің ақауын білдіреді.  Солай ЕПЛБ қысқа тұйықталудан қорғалған болады.

Аналогты сигналды  қосу екінші әдісі екі сымды түрлендіргіш болып келеді. Екі сымды түрлендіргіш түрінде анлогты сигналды қосу сұлбасы 15 суретте келтірілген.

15 сурет – Екі сымды түрлендіргіш түрінде аналогты сигналды қосу сұлбасы 4 - 20 мА аралықта

 

Бұл сүлбада кернеу көзімен сигнал тізбекті қосылған. Ал аналогты кіріс кернеу ретінде кедергіден алынады. Бұл сигнал дәлдігі жоғары, бірақ қорғанысы аз. Аналогты сигналдың дәлдігі санды кодтық разрядтылығынан да байланысты. Біз оны аналогты интерфейсінің рұқсатты дәлдігі деп атаймыз.

 

8 к е с т е

Қате %

 

Сан аймағы

 

Биттер саны

 

Өлшеу датчиктердің дәлдігі  0,025-тен аспайды, сондықтан аналогтың дәлдігі одан жоғарылату керек емес. Дәстүрлі датчиктердің түрлері: қысым, кернеу; олардың дәлдігі 0,08% осындай датчиктерге 12 АЦП жеткілікті. Дегенмен кейбір фирмалар 14 разрядты АЦП қолданады. 14 разрядты АЦП бас аналогты кіріс моделдер тек қана жоғары дәлдеп тоқтатуға кажет болады.

Бір аналогты модулде 2,4,8 аналогты кіріс- шығыс модульдер болуы мүмкін. Егер аналогты сигналдар саны одан да көп болса, оларды бөліп таңдайтын мультиплексор қажет болады. Мультиплексор - бір модулдің АЦП түрлендіргішін бір каналға таңдап қосуға арналған. 16 суретте 4 аналогты құрылғыны қосу мысалы берілген.

 

 

 

 

16 сурет – Аналогты шығысқа қурылғыларды қосу

 

         Контролердiң жады аймағына аналогты сигнал санды-аналогты түрлендіргішке түседі, сонда аналог сигналды жаңғырту санды-аналогты түрлендіргіштің шешу қабiлеттiлiгiне тәуелді. Шығыс аналогты сигналының түрлендіруде маңызды момент квантталу жиiлiктi таңдауы болып табылады. Осы есепте Шенонның импульсты теоремасы қолданады. Ол теорема кез келген үздiксiз сигнал өзінің белгілі жиiлiк аралығын алады, сонда жиілік таңдалған аралығынан алғашқы сигналды қайталауға болады деп айтады. Квантталу жиiлiк үздiксiз сигналдың жиiлiгінен екі есе  көбiрек болуы керек.

Аналогты сигналдар еңгізу заңы әр түрлі болады.  Simens фирмасы кіріс шығыс сигналдар үшін әр түрлі сигналды моделдерді қолданады. Аналог сигналдар  модульдерге немесе кіріс шығыс станцияларға қосылады (ЕТ-200). Мысалы,  Simatic300 контроллерлар үшін аналог кіріс модулі SM 331. Әр модуліне 2,4,8,16 аналог сигнал қосылады. Аналог шығыс модулі SM332 және оның әр түрлі орындамасы. Кіріс пен шығысты бірге қамтитын модульдер болады, ол мысалы SM334, SM335.Ол модульдердің барлығы қысқа тұйыкты токтан қорғанысы бар. Әр аналогты модулге кернеу немесе ток сигналды қосуға болады.  Сигнал модульдерді қолдану контроллерді әр түрлі есептерге  дағдыландырады.

 

  10.2 Контролердің санды кіріс, шығыстары

 

Санды кіріс және шығыс сигналдардың дискретті түрінен айырмашылығы олар санды түрде екілік-ондық кодта көрсетілетінің болып табылады. Санды түрде контроллерге мәліметтер санды уақыт датчиктерден,орын ауыстыру датчиктен, санды температура датчиктерден түседі. Санды құрылғылардың мәндері ЕПЛБ-ның жадысында сақталады. Төртразрядты индикатор үшін (0000 ден 9999 дейін санды көрсетуге жарайтын) ЕПЛБ-ның  16 шығыс дискретті сигналдан түсетін сигнал қажет болады, олардың өлшемі 12 немесе 24 В кернеу. 17 суретте  16 битті ақпарат оқылуы және төртразрядты индикаторға мультиплексор арқылы шығаруы берілген.

Мультиплексты [1] жасау әрбiр шығыс мәлiметiне басқару 16 биттерiн қалыптастырғанның орынына жеке қорытынды каналының нөмiрiн таңдайтын 16-биттiк строб импульсті мәлiмет жасалады.

Siеmens фирмасы SM-321 дискретті кіріс модулін, модульдер түрлері 8,16,32,64,128 кіріске, және де дискретті шығыс модулдері  SM-322 және дискретті кіріс-шығыс модульдері SM 323 и SM 327 шығарып қамтамасыз етеді. 

 

10.3 ЕПЛБ-ның басқа модульдері

 

ЕПЛБ-ның басқа модулдердің арасында функционал модульдерін айту қажет. Функционалды молульдер орталық процестердің міндетін жеңілдетуге арналған. Функционалды модульдер орталық процестерде орындалып тұрған басты процестерден басқа параллельді есеп шығаруға  болады. Осы ерекше есептерге мыналар жатады: тез санау, дәлдеп тоқтату, автоматты реттеу және басқару.

Келесі функционалды модульдер бар: тез санау модулі, жұмыс органды жылжытып, дәлдеп тоқтату модулі, қадамды қозғалтқышты дәлдеп тоқтату модулі, сервоқозғалтқышты дәлдеп тоқтату модулі, орын ауыстыруды басқарып, дәлдеп тоқтату модулі, орын ауыстыру ультрадыбыс датчиктерден мәліметтерді оқу модулі, абсолютті орын ауыстыруды синхронды-тізбекті қамтамасыз ету модулі, электроды командоконтроллер модулі, санды программалы басқару жүйелердің модулі, автоматті реттеу модулдері. Казіргі  уақытта функционалды модельдер ретінде сопроцессорлы модулдер шықты.

Арнайы модульдеріне келесі құрамы кіреді: кіріс дискретті сигналдың имитациясын жасау және шығыс дискретті сигналды көрсету SM 374 модуль және әр түрлі міндетті басқа модульдерді қосуға орнын алуға арналған жалған DM 370 модулі.

Коммуникационды модульдер түрлері келесі құрамында болады: PtP интерфейс арқылы байланысты орындау коммуникационды процессор; AS-Interface негізінде таратылған кіріс шығысты қамтамас ету коммуникационды процессор; PROFIBUS DP және PROFINET IO интерфейс негізінде таратылған кіріс шығысты қамтамасыз ету коммуникационды процессор;  PROFIBUS FMS интерфейс негізінде таратылған кіріс шығысты қамтамас ету коммуникационды процессор; Industrial Ethernet интерфейс негізінде таратылған кіріс шығысты қамтамасыз ету коммуникационды процессор.

Интерфейс модульдері , құрамында бір негізгі блок (CR) және көбейту (ER) блоктың үшке дейін саны болуы мүмкін, контроллердің көпқатарлы конфигурациясын құрастыруға арналған. Стойкалардың арасындағы байланысты келесі интерфейсті модульдер орындайды: IM 365 негізгі блокка бір көбейту стойка қосылады және IM 360/IM 361 негізгі блокка 3 стойка қосылады.

 

 


 

17   сурет - Санды индикаторы (а) физикалық қосылуы; (б) жұмысы

         Мүмкіншіліктері жоғары болғанымен бірге  олардың икемділігі өскен, оларды қолдану ыңғайлығы өскен және де сенімділігі жоғары болғанымен бірге әр түрлі өндірістерде қолдануға жарайды. ST-400  контролерге қосымша қор жинауға болады.

         S7  контролерде нақты уақытта стандартты функциялармен қатар апатқа қарсы функцияларды нақты уақытта орындау.

 

10.4 Siemens фирмасының таратылған жүйенің модулдері

 

Аталып кеткен модулдер таратылған жүйеде ЕПЛБ-ның тек кей бір функциясын көрсетеді.  Бұдан әрi Siemens фирмасының таралған жүйелерiнiң басқа құрылымдарын келтiремiз.

S7-400 топтамасы Siemens фирманың өте қуатты контроллерлерi болып табылады. Бұл контроллерлердiң соңғы өңдеулерi үш орындауды алады. Олар барлығы орташа және биiк күрделiлiктi автоматтандыру есептерiнiң шешiмi үшiн арналған.  Осы контроллерлар программалық  талаптарда әр түрлі қорғаныс деңгейлі болады, ыстық резерв режимді қамтамас етеді және сенімділігі өте жоғары болады. Орындалу үш деңгейі келесідей болады: S7-400, S7-400H, S7-400F/FH. S7-400H сериялық контроллерлар қосымша резерв арқылы жоғары сенімділікті болады, сондықтан олардың кіріс/шығыс коэффициентері жоғары болады. S7-400F/FH сериялық контроллерлар авариядан қорғанысты жүйелерді жобалауға арналған (ПАЗ).

Өнеркәсiптiк желiлердiң iске асыруы үшiн SIMATIC NETтiң топтамасының жабдығы арналған. Өнеркәсiптiк желiлердiң деңгейлерi (қарапайым, орташа күрделiлiк және күрделi автоматтандыру мәселе) тура контроллерлер сияқты бөлiнедi: (IEEE 802.3 және 802.11) Industrial Ethernet - цехтық және топтық желілерi үшiн халықаралық стандарт;  (IEC 61158/EN 50170 ) PROFIBUS - дала және цехтық желiлер үшiн халықаралық стандарт; (IEC 62026-2/EN 50295 ) AS-Interface - датчиктерi бар коммуникациялар және орындаушы механизмдар үшiн халықаралық стандарт; (EN 50090, ANSI EIA 776) KNX - ғимараттардың автоматтандыруы үшiн ғимараттар және негiз үшiн халықаралық стандартты қоятын техника.

Автоматтандыруды техника бiр жағынан үнемi мiнсiздiкке жетедi (әбден жетiлуге шектерi жоқ!). Осындай зеттеулердің нәтижесі ретінде  ECOFAST (Energy and Communication Field Installation System) құрылғыларын атауға болады. Басқару шкафтарынан тыс таратылған жүйелер үшін осы жүйелiк шешiм болады. Ол автоматтандырумен машиналар және тетiктер, қоюларды жабдықтағы жаңа стандарттары, коммутацилық құрылымдар және электр қозғағыштардың жүйелерi орнатады. Орталық идея - қоюларды децентрализация, модулдiк, компоненттердiң төменгi деңгейiнiң жан-жақты диагностикасы алысқа баратын.

  

11 Дәріс. Өндірістік желілер. Сипаттамасы және стандарты

 

Дәрiстiң мақсаты: автоматтандырудың жүйелерiнiң қазiргi өндірістiк желiлерiндегi байланыс құралдарының таңдауға және жобалауына үйрену.

 

Өндірістік желі түсінігі (Fieldbus) ХХ ғасырдың 80 жылдары қарапайым коммуникациялық желілердің шығуымен байланысты. Бұл желiлердi программалау және жазу бойынша МЭКтың бiртұтас стандарты әлі күнге  дейiн жоқ, өйткенi автоматтандырулардың жабдықтарының өндiрушiлерiмен фирмалардың арасындағы келiсiм жетпеген. Өнеркәсiптiк желiлердiң жабдығы компьютер желiлерiнiң жабдығына  қарағанда едәуiр алуан түрлiрек, сондықтан мұндай стандартизацияның керек болатыны және анығында болуы керек. Өнеркәсiптiк желiлердiң ұйымының жалпы мәселелерi атап өту керек.

Желiнiң негiзгi есебi - деректердi беру. Желі құрудың  ортақ принциптері тізбекті  және параллель әдіс.

Параллель әдiсiнде мәлiметтiң әрбiр битiне цифрлық мәлiметтерiнiң берiлуi өткiзгiштердiң жеке канал, жеке сымы қолданылады. 32-разрядты мәлiметтердi берiлулерi үшiн сонда 32 тiндi кабел талап етер едi. 16 суретте екі программаланатын логикалық бақылаушы ПЛБ қосылу мысалы берілген. Бұл 8 сигнал бір бағытқа және 12 қарсы бағытта (барлығы 110 В айнымалы тоқ болады), сонымен қатар екі 16-битті сан (24 В тұрақты токты). Көректену көзін ескерсек, бейтарабы шинаны ескерсек, тұрақты ток бойынша кері сым екі ПЛБ байланыстыруға  56 жол – мүмкін, біреуі 27-жилды және бірі 37-жилды кабель болады, үші 8-битті санды шығыс плата және кіріс плата (110 В сигналдырымен алмасу үшін), екі санды шығыс платасы және екі санды кіріс плата (24 В сигалмен алмасу үшін). 

 

18 сурет  - Мәліметтердің параллелді алмасуы

 

Осы қарапайым мысалдан көретініміз – мәлімет беру процесінде монтаж процесі қиындайды (жобалау процесінің ең қымбаты – жоба құны асады, сондықтан мәлімет берудің тізбекті әдісі қолайлы).

Мәлімет берудің тізбекті әдісі сандық мәліметті уақыт бойынша тізбектелген импульстер түрінде береді. Мәлімет берудің тізбекті әдісі кезінде мәліметтерді синхрондау мәселесі туындайды. Абсолютті синхрондауға тізбектелген мәлімет берудің стандарттары анықталғанда ғана жетуге болады.

Мәліметті тізбекті берудің стандарттары:

1)     Сигнал деңгейлері (кернеу бойынша).

2)     Беру коды (биттік комбинацияның және хабардың қалай құралатынын анықтайды).

3)     Беру жылдамдығы (биттік комбинация жіберілетін жылдамдық). Өлшем бірлігі Бод – бит/с.

4)     Қабылдағыш пен бергішті синхрондау әдісі.

5)     Протоколдар.

6)     Қателік болуын тексеру әдістері және қалпына келтіру амалдары.

Мәліметтерді кадрларға бөлу арқылы синхрондауға болады. Әр кадрдың басында старт бит және соңында стоп бит болады.

Сигнал берудің тізбектелген әдісінің екі түрі бар:

1)     Синхронды жіберуқабылдағыш пен бергіште бір тактілік сигнал болғанда.

2)     Асинхронды жіберу  қабылдағыш бергіштен біршама алыс қашықтықта болғанда, бергіштің соңында әр түрлі тактілік сигнал болғанда. Асинхронды бергіш – USART (см. [2]).

 

 

19 сурет – Ақпаратты асинхронды беру

 

19 суретте символдың асинхронды берілуі көрсетілген. Символ 7  битпен кодталған.  Старт бит – «0», стоп бит – «1». Желі бойынша жіберу үшін -6-12= «1»  және  +6+12= «0» сигналдары қолданылады. Қабылдағышта - +0,3В рұқсат етілген. Жұп биті  контрольді бит болады.

 

11.2 Желінің стандарттары және протоколдары

 

Байланыстар табысты жүзеге асыру үшiн сәйкес деректердi беру өндiрiп алатын ережелер жиыны бар болуы керек. Бұл ережелерді стандарттарға бөлуге болады. Хаттамалардың мазмұнын және өзін бақылауын қамтамас етуді орындайтын олар (стандарттар) терминалдармен (DTE ) және  модемдердiң (DCE ) арасындағы кернеулердiң деңгейлерін, қосу және басқару өзара әрекеттесумен орнатады.

Өндірістік желілердің бөлек құрылғылары RS арқылы қосылады (RS-322, RS-422, RS-423).

Желiлер бойынша деректердi берудiң жанында негiзгi мәселесi ақпараттың дұрыстығының сақтауы болып табылады. Мәлiметтiң сақталуы аппаратты деңгейде электромагниттi шулардың қорғауының схемаларымен жетедi. Бұл мәселе өте алыс жерлерге деректердi беру үшiн әсiресе көкейкестi. 20 Суретте  RS-232, RS-422, RS-423тiң стандарттары үшiн қабылдағыш және хабарлағыш жерге қосу схемасы келтiрiлген.

Мән бергіш

 

Берілуге мән

 

Берілуге мән

 

Берілуге мән

 

Қабылданған мән

 

Қабылданған мән

 

Қабылданған мән

 

Мән қабылдағыш

 

в)

 

б)

 

а)

 

 

20 суретАқпаратты алмастыру стандарттары: (а) RS-232, (б) RS-423, (в) RS-422

 

20, а суретте  RS-232 жіберу протоколы көрсетілген (3-5 метров метр аралыққа қосылатын).

RS-422, RS-423  – алыс жіберуге құрылады және бұл жерде магниттік өрістен қорғау үшін сымдар экрандалу керек.

20, б сурет  – RS-422-ге стандарт, қабылдағышта дифференциалды кіріс қолданғанда істейді. Сымдар жіберу және қабылдау кезінде экрандалады.

20, в Сурет  – RS-423-ге стандарт– қабылдағыш пен жібергіштің дифференциалды кірістері.

 

(а) активный бергіш, пассивті қабылдағыш;

(б) пассивный бергіш,активті қабылдағыш;

21 сурет - Тоқ топсасының мәлiметiнiң берiлуi.

Бейресми стандарт қолдану ток топсасының мәлiметiнiң берiлуiнiң жанында болып табылады. Токтық сигнал кернеуге қарағанда қорғалған болып саналады.

Жібергіш жағында кілт орнатылады. Тоқтық сигнал көзі жібергіш немесе қабылдағыш жағында орналасады (21,б суретті қара).

Сурет 21,а – токтық петля  активті жібергішпен, сурет 21,б – активті қабылдағышпен. Желіде токтың болуы  старттық битті, болмауы – стоктык битті білдіреді.

Жоғарыда айтылған стандарттарға байланыстардың физикалық iске асырулары жатады, хаттамаларындың мазмұнын байланыстардың қатынастары анықтайды. Хаттамалардың формасын анықтауларынан басқа протоколдар байланыс қалай бiтедi және қалай басталатынын, сонымен бiрге ол қалай қорғалатын орнатады. Негiзiнде үш хаттама түрi таратуларын алды: таңбаға-бағатталған, бит-бағатталған,  биттердiң есептеуi бар протоколдар [1].

Өнеркәсiптiк желiлердi жобалауы, сонымен бiрге олар үшiн стандартты таңдауы ISO/OSI үлгiге сәйкес өндiрiп алады, компъютер желiлерi үшiн болатындай. Бүкіл өндірістік желілердің ішінде әлемдік стандартқа үміткер PROFIBUS желісі:

-  PROFIBUS DP (Decentralized Periphery).

-  PROFIBUS FMS (Field Message Specification).

-  PROFIBUS PA (Process Automation).

-  Жылдамдығы:  9,6 Кбод – Кбит/сек (линия ұзындығы 1200 м-ге дейін)  12 Мбод-қа дейін (ұзындығы 100 м-ге дейін).

 

12 Дәріс. Цифралық автоматты басқару құралдарын  басқару

 

Дәрiстiң мақсаты: қазiргi микропроцессорлық құрылымдардың бақылау жүйелерiнiң алгоритмдарын жасау бойынша негiзгi ережелердi ашылу.

Реалды уақыт масштабында жұмыс істейтін микропроцессорлық кешендерінде есептеудің сенімділігі мен нақтылығына жоғары талаптар қойылады.

Автоматтандыру басқару құралдарына кіретіндер: ақпараттар, операция кодтары, нәтижелер сақтау адрестері, келесі мәліметтер адресі.

Барлық көрсетілген сигналдарға (кез-келген дискретті сигнал) шуылдар қабаттаса қосылады. 22-суретте көрсетілгендей шуылдар спектрлік тығыздықпен таралады.

22 суретт А және В аймақтарындағы шу дискретті сигналдың 1 және 0 Вольт аралығында қателікке алып келеді.

Сигнал мәні көтерілгеніне сәйкес шуылдың әсері өседі. Оң жақтағы дискретті сигналға А аймағы сәйкес келеді, ал кері дискретті сигналға В аймағы сәйкес.

Шуылдың әсері арқасында ықтималдылық қателігі анықталады, шет елдің әдебиетінде SNR(signal to noise ratio) келесідей белгіленеді:

              сигналдың орта квадраттық мәні

SNR=  ----------------------------------------------

             шуылдың орта квадраттық мәні

 

22 сурет – Шу қуатының спектралды тығыздығы

 

Жүйелік қателер өңделуге, табылуға және жойылуға жатады. Кездейсоқ қателер – үзіліссіз басқару қажеттілігі, есептеу операциялардың болу және олар арқылы ақпарат қателігінің нәтижесі арқылы жөндеу (статикалық қателік) қажеттілігі.

23 сурет SNR және қате ықтималдығы арасындағы байланыс

 

23-суретте қате ықтималдылығының SNR-ға қатысы көрсетілген. SNR-дің 20 мәнінде қателік ықтималдылығы 10-5-ке тең. Бұл дегеніміз, 360 Кбайт жазу кезінде, 30бит ауытқу болуы мүмкін.

Егер сигнал шудан нашарлау болса (SNR<1) ықтималдылық қателігі 1-ге емес,  0,5-ке ұмтылады. Бұл ақпаратты қабылдаушы жағында тек жарты ақпарат шын болады дегенді білдіреді.

10-5 ықтималдылық, 999999 дұрыс биттер үшін бір ғана ауытқу болатынын көрсетеді. Бірақ, бұл клапанның  жабылуынын орнына оның ашылуын, авариялық жағдай бар немесе жоқ, т.с.с., көрсетуі мүмкін. Сол себепті басқарудың әр түрлі жағдайы болу керек.

Басқарудың барлық жағдайы 2 түрге бөлінеді: программалық және аппараттық.

Программалық басқару:

-       тестілік;

-       бағдарлама-логикалық;

-       енгізуді тексеру;

-       уақытты есептеу;

-       екі еселік қайта есептеу;

-       басқару алгоритмі.

 Аппараттық басқару құралдары:

-       модуль бойынша;

-       жұптылықты тексеру бойынша;

-       алгебралық көбейту немесе бөлу;

-       логикалық амалдар;

-       шығыс кодтың сипаттамасы бойынша;

-       дубльдеумен басқару;

-       шығыс кодын кіріс кодымен салыстыру;

-       арнайы кодты қолдану;

-       схемалық шешу жолын пайдалану.

Басқару құралдарын бағдарламалық және аппараттық шартты бөлу.   Бұл нақты жағдайда – автоматтандыру контроллерінің программалық-техникалық комплексі. Ең оңай жолы, бұл модуль бойынша тексеру жолы. Модуль бойынша тексеру жолы шартты қанағаттандыратын қателіктерден басқа қателіктерді табуға мүмкіндік береді.

i – i-ші разрядты код қателігінің мәні;

αi*- i-ші разрядты басқару код қателігінің мәні;

αi  - қателіктер жоқ кездегі i-ші разрядта болу керек мән;

mod2 – ауыстыру жоқ кездегі екілік кодта.

Екі модулі бойынша тексеру қателіктердің тақ санын табуға мүмкіндік береді. Модуль бойынша тексеру амалына жұптыққа тексеру коды жатады.

Сол үшін барлық ақпараттық разрядтар барысында код:

Аi ақпараттың і-ші разрядтың мәні.

         Бұл басқару разряды жұп немесе тақ болуы мүмкін

Siжұптық сигнал

-    тақ    сигналы
     
,

.

 

Жұптық сигналды орындаудың алгоритмдік схемасы 24 және 25 суреттерде көрсетілген.

24 сурет - Пирамида түрінде көрсетілген жұптық сигналды орындаудың алгоритмі

 

25 сурет - Тізбектілік жолымен көрсетілген жұптық сигналды орындаудың алгоритмі

 

Бұл схемалар аппараттық немесе программалық жолмен тұрғызылады. Арифметикалық және логикалық операцияларды бақылау үшін  модуль бойынша бақылауды қолданылады, келесі санның бөліндісінің қалдығы 2m-1 немесе қалдық модуль бойынша 2m-1 болатын әр бір мәнге сәйкес бақылау код қойылады, бұл жерде  m=2, 3, 4. Көбінесе  3-ке бөлінген санның қалдығы қолданылады.

Арифметикалық және логикалық операцияларды бақылау үшін  қалдық бойынша бақылау қолданылады. Бірдей сандарға операция жүргізілгенде олардың кодтарына да бірдей жүргізіледі:

СМО, СМК – негізгі және бақылауыш сумматорлар;

СхФО – қалдықты жинау схемасы;

СхСр – салыстыру схемасы.

 

26 сурет - Арифметикалық және логикалық операцияларды бақылау схемасы

 

Алгебралық көбейту кодтарын қолдану, негізгі және құрастырушы полиномның пайда болуына негізделген. Бақылау полиномы осы екі полиномның туындысы болып табылады. Көбейту арифметикалық түрде, ал қосу модуль 2 бойынша орындалады. 

Мысалы: 1011001 коды бар. Тексеру полиномының құрылуы және қате тексеру коды мысалы қарастырылуда.

M(x) = X6+ X4+ X3+1; M(x)=SXin

V(X) = G(X)*M(X);

G(X) =                                                 X3  +  X2 +  1;

M(X) =                      X6+         X4 +      X3 +          1

G(X) =                                                 X3 +   X2 +  1

                           X6            X4    X3                     1

              X8         X6    X5                   X2

       X9         X7     X6                     X3

  V(X)=  X9 +X8+ X7+ X6+  X5+   X4+         X2+    1

Код:     1    1     1     1      1       1      0    1   0   1

Алгебралық бөлу коды

X n-k *M(X)                   R(X)

  ---------------- =  Q(X) + --------

      G(X)                          G(X)

X n-k* M(X) = Q(X)*G(X)+R(X);

Кодтық полином:

V(X)= X n-k* M(X) -R(X)= Q(X)*G(X)

Кодтау үшін полином керек:

G(X) =X3 + X2 + 1;

V(X)= ( X9+ X7+ X6+ X3) + (X2+ X)=

1011001

110

ақп. разряд

контр.

Нәтиже коды: H(X)=V(X)+E(X)

Егер бөлiнуден қалдық санның бөлiнуiн салдарда нөлдiк қалдықсыз көрсетсе, онда мұндай қате табылмауы мүмкін. Бөлiнумен алгебралық кодты қолданатын құрылғы, сигнатура анализатор деп аталады.

Логикалық басқару құралдары:

1)  Шығыс код бойынша бақылау логикалық даусыз ұсыныстарды қарастырады. Мысалы, тек қана бір дешифратордың шығыс шинасы бірлік болуы мүмкін.

2)  Дубльдік басқару –бірнеше ұқсас функционалдық схемалар бірдей операцияны орындайды.

3)  Шығыс  кодты функционалдық кіріс кодпен салыстыру ,шығыс мәнінің қайта пайда болуымен байланысты.

Бағдарламалық басқару жолдары:

1)   Кіріс ақпаратты дұрыс енгізгеннің белгісі, бұл барлық сигналдардың қосындысының және салыстырылуының мәндері. Бұл мән ақырғы қосынды деп аталады.

2)  Екілік санау арқылы басқару (үзілістен кейінгі қайта қалпына келтіру) – Екілік басқару алу немесе бөлумен.

Мысалы, белгілі матиматикалық аксиомалар қолдану:    

1)  Алгоритмның бақылануы негізгі бағдарлама мен алгоритм қолданылады, төменгі дәлдікпен есептеп , бірақ шығыс мәні дұрыс болады.

2)  Уақыт бойынша бағдарламаны бақылау (күзетші  таймер, таймер  энергия көзін қосу, үзіліс таймері және т.б.)

3)  Тесттік есептер арқылы бақылау. Қосылу кезінде тесттік есептерді қосу керек.

 

 

13 Дәріс. Қазіргі уақытқа сай өндірістік сандық жүйелердегі қателерді бақылау

 

Дәрiстiң мақсаты: қазiргi уақытқы сай микропроцессорлық автоматтандыру құрылымдарындағы мәлiметтi бақылауының алгоритмдарын үйрену.

 

Қазіргі уақытқа сай  микропроцессорлық құрылғыларда [6,10-13] қателерді анықтаудағы әрекеттердің келесі амалдары бар:

-       ARQ (Automatic transmission on request) қайталап жіберуде автоматты түрде сұраныс жасау;

-       FEC (forward error control) бақылау разрядтарды қосу, алдын-ала бақылап табу;

-       Хемминг коды;

-       жұптылық биті;

-       жұптылықтың бойлай бақылауы;

-       CRC (cyclic redundancy code)  циклдық артылу коды;

-       BCC (block check character).

27 сурет – Қатенің бар болуын тексеруге арналған символдық бақылау блогын қолдану

 

27 суретте блоктың бақылау сигналының құрылуы көрсетілген. Информация блоктарға бөлінеді. Суретте блок жеті биттан тұрады.  Кадр да жеті биттен тұрады және әр кадрда өзінің ВВС биті бар. Бұл биттің жасалуы өткен лекцияда қарастырылған алгоритмге сәйкес. Бұл әдісте мәліметтің әрбір жолына ВСС бағанасы құрастырылады. Мәлімет аяқталғанда бақылау жолы құрастырылады. Бақылау жолында ВСС бағанасына сәйкес бақылау биті болу қажет. Осы бит қатенің бар жоғын білдіреді [1]. 

CRC кодында қатенің бар болуы қалдыққа байланысты. Қалдық қабылдаушы және беруші жақтан да анықталынады және салыстырылады. 

28-суретте  ығысу регистрі және қалдықты анықтауға «немесе емес» операциясы көрсетілген.

28 сурет – CRC-CCITT көмегімен қатенің болуын тексеру

 

Автоматты сұраныс қайта беруде ARQ (automatic transmission on request) амалды қолдану 29-суретте көрсетілген.

 

29 сурет – ARQ бар жүйедегі қайта жіберулер

 

Суретте ARQ.басқарудың әр түрлі варианттары көрсетілген. бұл жерде АСК – ақпарат қатесіз беруді көрсетеді, NAK – қателікті білдіреді.  АСК ақпарат түскеннен кейін белгілі уақытта жауап күтіледі. Егер осы уақытта жауап келмесе, ол да қателікті білдіреді.

 

14 Дәріс. Үзу режиміндегі сыртқы құрылғылармен мәлімет алмасу

 

Дәрiстiң мақсаты: қазiргi микропроцессорлық құрылымдардың үзулерiнiң тәртiптерiнiң ұйымы бойынша негiзгi ережелердi ашылу.

 

14.1 Үзу режимі

 

Үзу режимі ақпарат алмасудың тиімді әдісі ретінде,  уақыт бойынша алгоритмдер жұмысының келісімдігі сияқты қателіктерге жылдам әсер ету ретінде қолданылады. Тізбектей ақпарат жіберу кезінде бір шина бойында бірнеше қолданушылар болуы мүмкін. Желідегі абоненттердің біреуі басқарушы, ал қалғандары бағынушылар.

Үзу жүйесі - бұл циклдiк жұмыс iстейтiн программаның үзуi арқылы көп процессорлық жүйедегi өзара әрекеттесудiң тиiмдi және үнемдi программалық-техникалық ұйымның қағидалары.

30 Суретте үзу режиміндегі бір орталықтандырылған басқару процессорымен  басқарылатын көптеген “У” қондырғыларының жұмыс істеуінің бір мысалы келтірілген

30 сурет – Үзуді ұйымдастырудың сұлбасы

 

30 Суреттегі белгілеулер:

-       IRQ1-IRQ7 – үзуге сұраныстар;

-       JACKIN – үзуге рұқсат;

-       JACKOUTтібектелген сигнал;

-       BR1-BR5 – басып алуға сұраныс сигналы;

-       BQ1-BQ5 - үзу үшiн жаңа құрылымды шинаның басып алуын шешудiң ескертпе сигналы;

-       A00-A02 –қабылданған үзудің деңгей коды.

IRQ үзуіне сұраныстардың әрқайсысында приоритет деңгейі бар. Үзуге сұраныс түсуді басқаратын үзу қолданыстағы үзудің приоритет деңгейімен салыстарады. Егер приоритет деңгейі нақты мәннен жоғары болса, үзу контроллері үзуге рұқсат ету сигналын жүзеге асырады. Бұл сигналда қабылданған үзудің деңгей коды бар және барлық қондырғылар арқылы тізбектей өтеді.

Үзуге сұраныс жіберген қондырғы табылғанда, ол шинаны басып алу сұраныс сигналын жүзеге асырады.

«А» арбитр қондырғысы сол кездегі шина жағдайын анықтайды, үрдісті келесі үзудегі шинада аяқтайды және сол қондырғыға шинаны басып алу сигналын жүктейді.  

Үзу векторы бұл үзулердің ішкі программа адресі. Векторлардың саны үзу түрлерінің санын анықтайды. Үзулердің түрлерінің  бір уақытта орындалуының саны үзулердің стегінің тереңдігімен шектелген.

Үзу жүйесінің  негізгі параметрлері:

-   Реакция уақыты – үзуге сұраныспен түскен шақырушы программаның алғашқы пайдалы командасының бастапқы орындалуының арасындағы уақыт;

-  қалпына келу уақыты;

-  үзулердің құрылымы – бұл микропроцессордің сұраныстарға берілген приоритеттеріне сәйкес қызмет етуіне беретін құрал.

Приоритеттерді ұйымдастыру жүйесі приоритеттерді жүктеудің үш әдісін қарастырады: абсолютті, салыстырмалы және абсолютті- салыстырмалы приоритетті ұйымдастыру жүйелері.

Салыстырмалы приоритетті жүйелерде мәлімдеменің басталған қызметі толығымен аяқталғанша жалғасады.

Абсолютті приоритетті жүйелерде i>j приоритетті сигнал түскенде, Pj үзілуі орындалғанда, Pi үзілуіне қызмет көрсетіледі.

 Приоритеттердің рационалды тағайындалу проблемасын сұраныс эффективтілігінің функционал бағасын сипаттайды:

      n

C= Σ   αI х λI х WI ,

      i=1

WI – iші ағымның сұраныс кезегінде орташа күту уақыты;

n- әртүрлі типтегі сұраныстар ағымының саны;

λI – әрбір типті сұраныс ағымының қарқындылығы;

αI – жеке сұраныстардың өзара салыстырмалы маңыздылығы.

Приоритеттердің рационалды тағайындалу есебінің мақсаты – С функционалын минимизациялау.

Салыстырмалы ұйымдастыру жүйесі үшін приоритетті тағайындау кему қатынасы бойынша жүзеге асады:

(αk/Tk) > (αk+1/Tk+1) ,

Tkk – шы ағымдағы сұранысқа қызмет көрсету уақыты.

Үшінші курста сіздер микроконтроллер және ЕБЛК-да үзу жүйесінің тәжірибелік әдістерін оқып үйренгендеріңізді естеріңізге сала кетеміз.

 Сонымен, PIC контроллердің үзулерінің әртүрлілігі:

-  Таймердің толуы бойынша үзілуі.

-  Перифериялық модульдерден үзілуі (жетектегі паралелльді порттан,  САТ-дан, қабылдаушы – хабарлаушы USART,  ССР модульдерінен).

-  Сыртқы үзілуі.

-  Кірістегі сигналдардың өзгеруінен үзілу. 

 

Әдебиеттер тізімі 

1.     Парр Э. Программируемые контроллеры: руководство для инженера. – М.:БИНОМ. Лаборатория знаний, 2007. – 516 с.:ил.

2.     Копесбаева А.А. Микропроцессорные комплексы в системах управления. Учебное пособие. – АИЭС, Алматы, 2010.

3.     Петров И.В. Программируемые контроллеры. Стандартные языки и приемы прикладного проектирования / Под ред. Проф. В.П. Дьяконова.-М.:СОЛОН-Пресс, 2004. – 256 с.:ил. – (Серия «Библиотека инженера»).

4.     Копесбаева А.А. Программно-технические комплексы управления. Методические указания к лабораторным работам (для студентов специальности «Автоматизация и управление») – АИЭС, Алматы 2010.

5.     Копесбаева А.А. Программно-технические комплексы управления. Методические указания к курсовой работе (для студентов специальности «Автоматизация и управление») – АУЭС, Алматы 2011.

6.     Яценков В.С. Микроконтроллеры Microchip. Практическое руководство. – 2 –е изд. испр. и дополн. – М.: Горячая линия – Телеком, 2005 – 280 с., илл.

7.     Харазов В.Г. Интегрированные системы управления технологическими процессами – СПб.: Профессия, 2009 . – 592 с., ил., табл., сх.

8.     Елизаров И.А., Мартемьянов Ю.Ф., Схиртладзе А.Г., Фролов С.В. Технические средства автоматизации. Программно-технические комплексы и контроллеры: Учебное пособие. М.: «Издательство Машиностроение -1», 2004. - 180 с.

9.     Уськов А.А., Кузьмин А.В. Интеллектуальные технологии управления. Искуственные нейронные сети и нечеткая логика. – М.:Горячая Линия – Телеком, 2004. – 143 с.:ил.

10.  Фрунзе А.В. Микроконтроллеры? Это же просто! Том II - М.: ООО «ИД СКИМЕН» 2002-292 с., илл.

11.  Фрунзе А.В. Микроконтроллеры? Это же просто! Том I - М.: ООО «ИД СКИМЕН» 2002-336 с., илл.

12.  Корнеев В.В., Киселев А.В. Современные  микропроцессоры –3-е         изд., перераб. и доп. – СПб.: - БХВ – Петербург, 2003-448 с. илл.

13.  Кэпс Ч., Стаффорд Р. Программирование на языке ассемблера и архитектура. – Пер. с англ. – М.:Радио и связь, 1991.

14.  Калабеков Б.А. Цифровые устройства и микропроцессорные системы. - М.: Горячая линия – Телеком, 2000. – 336 с. 

 

2012 ж. Жиынтық жоспары, реті. 303