3

ПРЕДИСЛОВИЕ

Комплексная автоматизация производства является одним из основныхнаправлений технической политики на многих промышленных производствахв нашей стране. Целью комплексной автоматизации управления и проектиро-вания является ускорение темпов повышения производительности труда,улучшение качества продукции и повышение ее конкурентоспособности, со-кращение сроков проектирования новых изделий.

Общая идея состоит в том, чтобы разработать, сформироватьи внедрить современные механизмы информационных технологий, способ-ные комплексно управлять совместной работой технологических, проектныхи бизнес-процессов. В результате интеграции систем управления возможнопоявление синергетического эффекта, который, в конечном счете, позволитвыявить «чистый» экономический эффект от внедрения дорогостоящих про-граммно-технических систем, и тем самым, наконец-то, решится известнаяпроблема оценки эффективности автоматизированных систем.

Внедрение комплексных автоматизированных систем зависит от сте-пени подготовленности специалистов. Это предъявляет особые требования кподготовке специалистов в высших технических учебных заведениях.

В предлагаемом методическом пособии рассматриваются вопросы,связанные с решением задач проектирования интегрированных компьютер-ных систем от уровня управления производством и его технологией (уровниMES, SCADA) до уровня микроконтроллеров, исполнительных систем, из-мерительных приборов и устройств ввода производственной информации.

Учебное пособие по проектированию интегрированных систем управ-ления для гибких автоматизированных производств разработано впервые. Из-за отсутствия аналогичных изданий авторам пришлось «лопатить» большойобъем информации через Интернет, переводить и изучать множество зару-бежных публикаций и рекламных материалов.

Книга будет полезна самому широкому кругу читателей, включая студен-тов соответствующих специальностей, профессионалов в области проектиро-вания и эксплуатации автоматизированных систем управления.

Пособие состоит из 19 разделов. Введение и разделы 1-18 подготовленыдоцентом Е.И. Громаковым, раздел 19 подготовлен доцентомА.Г. Каранкевичем.

Авторы глубоко признательны декану АВТФ ТПУ Сергею АнатольевичуГайворонскому за рецензирование этой работы и сделанные им замечания.

Авторы благодарны научному редактору профессору Александру Макси-мовичу Малышенко за ободряющую поддержку, внимательное прочтениерукописи, бережное отношение к ее содержанию при редакции.

Авторы

4

Содержание

ГЛОССАРИЙ ...............................................................................................5ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ПОСОБИЯ ....................................................................9ВВЕДЕНИЕ ................................................................................................111. РАЗРАБОТКА КОНЦЕПТУАЛЬНОЙ СТРУКТУРЫ .........................192. РАЗРАБОТКА ТЕХНИЧЕСКОГО ЗАДАНИЯ ....................................233. ПРОЕКТИРОВАНИЕ АРХИТЕКТУРЫ ИКСУ ..................................314. ОПИСАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА КАК ОБЪЕКТААВТОМАТИЗИРОВАННОГО УПРАВЛЕНИЯ ......................................435. ОПИСАНИЕ ПРОИЗВОДСТВЕННОГО ПРОЦЕССА ........................49КАК ОБЪЕКТА АВТОМАТИЗИРОВАННОГО УПРАВЛЕНИЯ...........496. РАЗРАБОТКА ПЕРЕЧНЯ (СПЕЦИФИКАЦИИ).................................54ВХОДНЫХ И ВЫХОДНЫХ СИГНАЛОВ, .............................................54ДОСТУПНЫХ ДЛЯ ИХ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ В ИКСУ..........................54(ТАБЛИЦЫ ВХОД–ВЫХОДНЫХ СИГНАЛОВ)....................................547. ВЫБОР ПРОГРАММНЫХ СРЕДСТВ АСУ, .......................................57ПОДДЕРЖИВАЮЩИХ ПРОФИЛЬ АРХИТЕКТУРЫ ИКСУ ...............578. РАЗРАБОТКА СТРУКТУРНОЙ СХЕМЫ ИКСУ ...............................629. РАЗРАБОТКА ФУНКЦИОНАЛЬНОЙ СХЕМЫ АВТОМАТИЗАЦИИ....................................................................................................................6910. ВЫБОР КОНТРОЛЛЕРНЫХ СРЕДСТВ РЕАЛИЗАЦИИ ИКСУ ....7911. ВЫБОР ДАТЧИКОВ И ИСПОЛНИТЕЛЬНЫХ МЕХАНИЗМОВ ...8312. ВЫБОР (ОБОСНОВАНИЕ) АЛГОРИТМОВ УПРАВЛЕНИЯ АСУТП ...............................................................................................................9113. АЛГОРИТМИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ........................................100УПРАВЛЕНИЯ ОБСЛУЖИВАНИЕМ ОБОРУДОВАНИЯТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА ...................................................10014. РАЗРАБОТКА ПРОГРАММНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ .....................109ДЛЯ ПРОГРАММИРУЕМЫХ ЛОГИЧЕСКИХ КОНТРОЛЛЕРОВ .....10915. РАЗРАБОТКА ИНФОРМАЦИОННОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ ............11117. РАЗРАБОТКА ЭКРАННЫХ ФОРМ ИКСУ .....................................12018. ВЫБОР ИНТЕГРАЦИОННОЙ ПЛАТФОРМЫ САПР И АСУ ...... 12319. ВЫБОР ЭЛЕКТРОПРИВОДНЫХ СРЕДСТВ АСУ.........................127БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК .....................................................153

5

ГЛОССАРИЙ

Термин Определение

АРМ Автоматизированное рабочее место – программно-технический комплекс АС, предназначенный для ав-томатизации деятельности определенного вида.

АС Автоматизированная система.БД База данных – организованная в соответствии

с определенными правилами и поддерживаемая в па-мяти компьютера совокупность данных, характери-зующая актуальное состояние предметной области ииспользуемая для удовлетворения информационныхпотребностей пользователей.

БП Бизнес-процесс – модель преобразования сущностейтипа "вход-выход", понимаемая как работа по реали-зации приписываемой функции.

ГАП Гибкое автоматизированное производство. Представ-ляет собой гибкую производственную систему, со-стоящую из одного или нескольких гибких производ-ственных комплексов, объединенных автоматизиро-ванной системой управления.

Интеграция Интеграция (в системе или систем) – повышение каче-ственного уровня взаимосвязей между элементамисистемы, а также процесс создания из нескольких раз-нородных систем единой системы,с целью исключения (до технически необходимогоминимума) функциональной и структурной избыточ-ности и повышения общей эффективности функцио-нирования.

ИКСУ Интегрированная компьютерная система управления– совокупность двух или более взаимоувязанных АС,в которой функционирование одной из них зависит отрезультатов функционирования другой (других) так,что эту совокупность можно рассматривать как еди-ную АС.

Интерфейс Совокупность средств (программных, технических,информационных, лингвистических) и правил дляобеспечения взаимодействия между различными про-граммными системами, между техническими устрой-ствами или между пользователем и системой.

Информационноеобеспечение

Совокупность форм документов, классификаторов,нормативной базы и реализованных решений по объе-

6

мам, размещению и формам существования информа-ции, применяемой в автоматизированной системе приее функционировании.

Производственноеоборудование

Станки, агрегаты, на которых выполняются производ-ственные операции по обработке изделийи полуфабрикатов.

Архитектура Набор значимых решений по поводу организации сис-темы программного обеспечения, набор структурныхэлементов и их интерфейсов, при помощи которыхкомпонуется система, вместе с их поведением, опре-деляемым во взаимодействии между этими элемен-тами; компоновка элементов в постепенно укрупняю-щиеся подсистемы , а также стиль архитектуры, кото-рый направляет эту организацию, элементы и их ин-терфейсы, взаимодействия и компоновку.

Профиль ИКСУ Подмножество и/или комбинации базовых стандартовинформационных технологий, необходимые для реа-лизации требуемых наборов функций (ГОСТ РИСО'МЭК ТО 10000-1-99).

АСУ ТП Автоматизированная система управления технологи-ческим процессом – человеко-машинный комплекс,обеспечивающий управление технологическими про-цессами на современных механизированных и автома-тизированных промышленных предприятиях.

АСУ ПП Автоматизированные системы управления производ-ственными процессами.

Техническое зада-ние на АС (ТЗ)

Утвержденный в установленном порядке документ,определяющий цели, требования и основные исходныеданные, необходимые для разработки автоматизиро-ванной системы, и содержащий предварительнуюоценку экономической эффективности.

Технологическийпроцесс

Последовательность технологических операций, необ-ходимых для выполнения определенного вида работ.

Логистика Управление закупкой, снабжением, перевозками ихранением материалов, деталей и готового инвентаря(техники и проч.), а также управление соответствую-щими потоками информации.

СУБД Система управления базами данных – совокупностьпрограммных и языковых средств, предназначенныхдля управления данными в базе данных, ведениябазы данных, обеспечения многопользовательскогодоступа к данным.

7

КИС Корпоративная информационная система, предназна-ченная для автоматизации учётаи управления (см. ERP и MRP).

Сущность Реальный или представляемый объект, информация окотором должна сохраняться и быть доступна.

Атрибут Атрибутом сущности является любой при-знак/параметр, который служит для уточнения, иден-тификации, классификации, числовой характеристикиили выражения состояния сущности.

Данные Данные (в предметной области) – представление ин-формации в формализованном виде, удобном для пе-ресылки, сбора, хранения и обработки.

DCS (англ.Distributed ControlSystems)

Системы управления распределенной производствен-ной средой в масштабах установки или цеха. Стан-дартная DCS состоит их отдельных узлов (на основеPLC), объединенных в сеть по интерфейсам.

SCADA (англ. Su-pervisory ControlAnd Data Acquisi-tion)

Диспетчерское управление и сбор данных. Под терми-ном SCADA понимают инструментальную программудля разработки программного обеспечения системуправления технологическими процессами в реальномвремени и сбора данных.

PDM (англ. ProductData Management)

Система управления данными об изделии, обеспечи-вающая управление всей информацией об изделии.При этом в качестве изделий могут рассматриватьсяразличные сложные технические объекты (корабли иавтомобили, самолёты и ракеты, компьютерные сети идр.).

Batch Control Последовательное управление. Концепции и понятияпоследовательного управления определены в стан-дарте S88.01, Models and Terminology комитета ISA(1995 г.). Позволяет оптимизировать производствен-ный цикл (необязательно замкнутый) в последова-тельно-непрерывных отраслях на основе математиче-ских моделей и алгоритмов.

PLC (англ. Pro-grammable LogicControllers)

Программируемый логический контроллер.

ERP (EnterpriseResource Planning)

Планирование ресурсов предприятия. Основные за-дачи системы: эффективное управление сбытом иснабжением; контроль за финансовыми и материаль-ными потоками; планирование выпуска продукции.

8

MRP (англ. Mate-rial RequirementPlanning)

Планирование потребностей в материалах. Основныезадачи системы: планирование продаж и операций,объемно-календарное планирование, планированиепотребности в материалах, планирование потребностив производственных мощностях.

MES (англ. Manu-facturing ExecutionSystems)

Исполнительные системы производства. Основные за-дачи системы: управление производственными и люд-скими ресурсами в рамках технологического процесса,управление качеством продукции, хранение исходныхматериалов и произведенной продукции по техноло-гическим подразделениям, связь систем ERP иSCADA/DCS.

CALS, (англ. Con-tinuous Acqusitionand Life cycle Sup-port)

Непрерывная информационная поддержка поставки ижизненного цикла продукции.

PLM (англ.Product LifecycleManagement)

Технология управления жизненным циклом изделия,обеспечивающая управление всей информацией об из-делии и связанных с ним процессах на протяжениивсего его жизненного цикла, начиная с проектиро-ва-ния и производства до снятия с эксплуатации.

CASE (англ. Com-puter Aided SystemsEngineering)

Автоматизированное проектирование системс использованием специальных пакетов инструмен-тальных средств, т. н. CASE-технологии.

Ethernet Стандарты построения локальных вычислительныхсетей (ЛВС), описывающие спецификации сетевогокабеля, способов связи и методов доступак разделяемой среде передачи.

SQL ( англ. Struc-tured Query Lan-guage)

Структурированный язык запросов. Стандартное сред-ство доступа к серверу баз данных.

CIM (англ. Com-puter IntegratedManufacturing)

Компьютеризированное интегрированное производ-ство. Это интегрированный набор возможностей ав-томатизированного проектирования (САПР-системы),оперативного управления цехами (АСУ ПП/ АСУП) иоборудованием, технологическим процессом (АСУТП-системы).

САПР К (англ.CAD Computer-Aided Design)САПР Т (англ.CAM, Computer-aidedmanufacturing)

Системы автоматизированного проектированияконструкторских и технологических работсоответственно.

9

ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ПОСОБИЯ

Учебным планом подготовки магистров по направлению 220200«Автоматизация и управление» предусмотрено выполнение проектныхработ по дисциплине «Разработка интегрированной компьютернойсистемы управления для гибкого автоматизированного производства», атакже НИР «Компьютерное управление и SCADA-системы в гибкихавтоматизированных производствах». Рабочие программы этих дисцип-лин устанавливают следующие образовательные цели:

умение выполнять проектные и научно-исследовательские работыв области интегрированных компьютерных систем управления, выби-рать и использовать технические и программные средства, математи-ческий аппарат при проектировании интегрированных систем управле-ния (SCADA, MES, САПР);

знание коммерческих SCADA, MES систем, интегрированныхсистем автоматизации проектных работ и управления технологиче-скими процессами и производством, технологий программированияконтроллерных средств, коммуникационных информационных техноло-гий и т.п.;

получение практических навыков при разработкеконструкторско-технологической документации интегрированныхкомпьютерных систем управления.

В проектных и консалтинговых организациях проектированиесистем автоматизации технологических и производственных процессовобычно выполняется в соответствии с требованиями Единой системыконструкторской документации (ЕСКД). Согласно ГОСТ 34.601-90предусматривается пять стадий разработки конструкторскойдокументации автоматизированных систем (АС):

1) формирование требований к АС;2) разработка концепции АС;3) техническое задание;4) эскизный проект;5) рабочая документация.

Техническое задание [3] устанавливает основное назначение,показатели качества разрабатываемого изделия, его технические итактико-технические характеристики, технико-экономические требова-ния, предъявляемые к нему, необходимые стадии разработки конструк-торской документации, ее состав, а также специальные требования кизделию.

10

Эскизный проект – это совокупность конструкторских докумен-тов, которые должны содержать принципиальные конструктивныерешения, дающие общее представление об устройстве и принципеработы изделия, а также данные, определяющие назначение, основныепараметры и габаритные размеры разрабатываемого изделия.

Рабочая документация – это совокупность конструкторскихдокументов, которые должны содержать окончательные техническиерешения, дающие полное представления об устройстве разрабаты-ваемого изделия, и исходные данные для разработки рабочейдокументации.

Рабочие чертежи выполняются в соответствии с ЕСКД,действующими стандартами на условные обозначения, руководящими инормативными документами по проектированию и монтажу системавтоматики, электрического и противопожарного проектирования.Рабочий проект включает в себя:

- структурные и функциональные схемы автоматических систем;- принципиальные электрические, гидравлические, пневматиче-

ские схемы управления, регулирования, блокировки, сигнализации, атакже электрические схемы питания;

- общие виды и монтажные схемы щитов и пунктов;- схемы внешних электрических и трубных проводок, а также их

монтажные чертежи;- чертежи установки аппаратуры, щитов и пультов;- пояснительную записку и другие технические документы,

установленные в техническом задании.При выполнении курсового проектирования предусматривается

разработка основных элементов технической документации на четырехпервых проектных стадиях.

11

ВВЕДЕНИЕ

Важным этапом развития информационных технологий в машино-строении стало появление гибких производственных систем (ГПС).

В соответствии с ГОСТ 26228-90, гибкая производственнаясистема (ГПС) это "…управляемая средствами вычислительной техникисовокупность технологического оборудования, состоящего из разныхсочетаний гибких производственных модулей и (или) гибкихпроизводственных ячеек, автоматизированной системы технологиче-ской подготовки производства и системы обеспечения функциониро-вания, обладающая свойством автоматизированной переналадки приизменении программы производства изделий".

Принципиальной особенностью ГПС является наличие компью-терной системы управления, обеспечивающей возможность увязкиотдельных процессов, функций и задач в единую систему.

Исследованиям в области применения информационных техно-логий в ГПС посвящено значительное число публикаций [1].

Развитие ГПС в направлении расширения применения компью-терных систем для управления привело к появлению понятия компью-теризированного интегрированного производства (CIM). КонцепцияCIM подразумевает новый подход к организации и управлениюпроизводством, новизна которого заключалется не только в применениикомпьютерных технологий для автоматизации технологическихпроцессов и операций, но в создании интегрированной информа-ционной среды предприятия. На этой стадии развития промышленныхинформационных технологий возник и был апробирован целый рядфундаментальных идей, принципов и технологий.

· Сформировался 3D-класс систем автоматизации инженерноготруда в процессах разработки изделия и подготовки производства.Появление трехмерного моделирования позволило качественноизменить процесс проектирования: теперь разработчик сразуначинает видеть свою конструкцию такой, какой она и будет вдействительности. По 3D-модели создаются чертежи. Причем,делать это стало существенно проще, чем вручную, поскольку всягеометрия на чертеже формируется автоматически, позволяяконструктору не задумываться о правильности построения видов,разрезов и сечений. 3D-модель можно также использовать длярешения расчетных задач (анализ напряжений, перемещений,колебаний, гидродинамики, теплопередачи), подготовки управ-ляющих программ для станков с ЧПУ, а также реалистичных

12

изображений для технической документации и рекламныхматериалов, создания физических образцов на установках быст-рого прототипирования, в частности, с помощью 3D- принтера.

· На основе конструкторских геометрических моделей изделия(CAD) при помощи автоматизированных систем технологическойподготовки производства (CAM) начали разрабатываться про-граммы для станков с ЧПУ. Обмен геометрическими данными вэлектронном виде между CAD и CAM системами явился одним изпервых реальных примеров информационной интеграции про-цессов [8].

· Были стандартизированы форматы данных, объединенных воеди-но системой управления техническим документооборотом (PDM)[8, 9].

· Создалась основа для формирования функциональных стандартов(в частности, MES/S-95), регламентирующих общепринятыеуправленческие технологии в производстве, реализуемые сиспользованием компьютерных систем управления ГПС.В CIM впервые не только решаются задачи автоматизации

отдельных производственных процессов, но и реализуются принципыинформационной интеграции.

Информационная интеграция процессов достигается путемиспользования общих баз данных, позволяющих более эффективнорешать вопросы разработки и проектирования изделий, подготовкипроизводства, планирования и управления производством, решениязадач материально-технического обеспечения, охватывая все процессыпредприятия.

В концепции CIM особую роль играет интегрированная компью-терная система управления (ИКСУ). На ИКСУ возлагаются как функцииавтоматизации процессов проектирования и производства изделий, таки функции, связанные с обеспечением информационной интеграциитехнологических и производственных процессов. Эта интеграцияосуществляться за счет аппаратно-программных средств, проектирова-нию которых и посвящено это учебно-методическое пособие.

В составе ИКСУ обычно выделяют автоматизированную системууправления (АСУ) производственным процессом (АСУ ПП), АСУконструкторско-технологической подготовки производства (АСКТПП),АСУ технологическим процессом (АСУ гибкими производственнымиучастками).

Практика показала, что из всех задач ИКСУ наиболее важнымипри ее разработке являются:

13

· для АСКТПП ГАП – задачи автоматизации проектирования иподготовки производства (CAD/CAM);

· для АСУ ПП ГАП – задачи уровня управления произ-водственным процессом в соответствии с рекомендациямистандартов MES/S95;

· для АСУ ТП ГАП – задачи уровня управления технологиче-ским процессом АСУ ТП (DSC, SCADA).

Анализ развития информационных технологий в производствен-ных задачах показывает, что основной тенденцией является все болееполный охват стадий жизненного цикла продукции.

По определению, приведенному в стандартах ISO 9000: 2000,жизненный цикл (ЖЦ) продукции – это совокупность процессов,выполняемых от момента выявления потребностей общества в опреде-ленной продукции до момента удовлетворения этих потребностей иутилизации продукции.

К основным стадиям ЖЦ относятся: проектирование и разработкапродукции, планирование и разработка процессов производства;проектирование и разработка производства; производство, логистика(процессы поставок); эксплуатация и сервисное обслуживание; утили-зация продукции и ее переработка в конце полезного срока службы.

Продукция представляет собой результат некоторой деятельностиили выполненных процессов. Можно выделить четыре общие категориипродукции:

техническое средство – отдельное изделие определенной формы;обработанный материал – изделие, являющееся результатом

преобразования сырья в желаемое состояние;услуга – итог непосредственного взаимодействия поставщика и

потребителя и внутренней деятельности поставщика по удовлетворениюпотребностей потребителя;

программное обеспечение.Многообразие процессов в ходе ЖЦ и необходимость их интенси-

фикации требуют активного информационного взаимодействия объек-тов и субъектов, участвующих в поддержке ЖЦ продукции. С ростомчисла участников растет объем используемой и передаваемойинформации.

Потребность в создании интегрированной компьютерной системыподдержки ЖЦ изделия и организации информационного взаимо-действия компонентов такой системы приводят к необходимостисоздания интегрированной информационной среды.

Данный подход характеризуется следующими принципиальнымиособенностями:

14

· в отличие от компьютерной автоматизации и интеграцииотдельных процессов, например, в производстве, в ней решаютсязадачи информационной интеграции всех процессов ЖЦ;

· решаемые задачи могут выходить за границы отдельногопредприятия, участники информационного взаимодействия могутбыть территориально удалены друг от друга, располагаться вразных городах и даже странах;

· совместно используемая информация очень разнородна: этомаркетинговые, конструкторско-технологические, производствен-ные, технологические данные, коммерческая и юридическаяинформация и т.д. Для ее совместного использования должныбыть стандартизованы способы, технологии представления икорректной интерпретации данных;

· основной средой передачи данных является промышленная сеть(Fieldbus), внутренняя сеть предприятия Интранет и глобальнаясеть Интернет.Впервые работы по созданию интегрированных систем, поддержи-

вающих жизненный цикл продукции, были начаты в 80-х годах. Доказавсвою эффективность, концепция последовательно совершенствовалась,дополнялась и, сохранив начальную аббревиатуру (CALS), получилаболее широкую трактовку: Continuous Acqusition and Life cycle Support –непрерывная информационная поддержка жизненного цикла продукции[10].

Первая часть аббревиатуры CALS – Continuous Acqusition [Sup-port] (непрерывный сбор данных) означает непрерывность информа-ционного взаимодействия в ходе формализации потребностей клиента,формирования заказа, процесса проектирования и изготовления и т.д.Вторая часть – Life Сycle Support (поддержка ЖЦ изделия) – означаетсистемность подхода к информационной поддержке всех процессов ЖЦизделия, в первую очередь, процессов эксплуатации, обслуживания,ремонта и утилизации и т.д. Более подробно развитие концепции CALSрассмотрено в [10].

В последнее время все большее распространение в мире приоб-ретает разработанная фирмой IBM стратегия управления жизненнымциклом PLM (Product Lifecycle Management), которая опирается на 3Dцифровую модель продукции.

Концепция PLM предполагает, что создается единая информа-ционная (цифровая) база, описывающая три краеугольных компонента:продукт – процессы – ресурсы и взаимосвязи между ними. Наличиетакой объединенной модели обеспечивает возможность быстро, эффек-

15

тивно увязывать все эти три компонента, оптимизируя решение подтребования бизнеса. Работа всех проектантов, конструкторов, техноло-гов с единой моделью обеспечивает снижение издержек на много-численные согласования, неизбежные при традиционной технологииработы, и исключает наличие дублирующих или взаимоисключающихдокументов. На практике это позволяет значительно сократитьматериальные и временные затраты на создание продукта и запуск его впроизводство, минуя многочисленные отладочные варианты, воплощае-мые в реальности, то есть получить проект продукта, готовогобуквально с первых экземпляров к отправке потребителю.

Мировая практика уже имеет примеры в таких сложных отраслях,как, например, авиастроение, когда самый первый собранный самолетнового проекта после проверочных испытаний сразу передается вреальную эксплуатацию. На Западе в плане внедрения PLM с отрывомлидирует сфера машиностроения. На втором месте идут электроника ителекоммуникации, на третьем – металлургия. С заметным отставаниемPLM использует военная и авиакосмическая промышленность, вхимической, нефтегазовой, пищевой и других сферах промышленностипорядки внедрения PLM существенно ниже.

Технология PLM позволяет за счет комплексных внедрений иреформирования производства непрерывно «CALS-сопровождать»продукт. Эта система делает доступной информацию о продукте налюбой его стадии для всех подразделений предприятия, поставщиков,партнеров, а также заказчиков и клиентов. В результате на предприятиивозрастает эффективность процесса разработки продукции, сущест-венно упрощается использование информации о продуктах, соответ-ственно повышается скорость и качество принимаемых на всех этапахпроизводства решений, уровень работы с поставщиками и обслужи-вания клиентов.

Чтобы получить все выше перечисленные преимущества напредприятии, необходима разработка интегрированной системы управ-ления его деятельностью. И в этом смысле проектирование ИКСУстановится частью общего системно-технического синтеза ГАП, чтообусловливает зависимость этого процесса от предваряющих этаповразработки организационной и функциональной структур, технологи-ческих процессов и технологической структуры ГАП. Результатомпроектирования ИКСУ является разработка аппаратного, программного,математического, информационного и лингвистического обеспеченийкомпьютерного управления технологического и производственногопроцессов. При этом, как и при создании любой технической системы,перед разработчиками стоят две основные проблемы. Первая – точно и

16

детально определить, что требуется от системы, каково назначение ееподсистем, т. е. сформулировать внешние требования к проектируемойсистеме, непосредственно вытекающие из целей ее создания. Втораяпроблема связана с выбором оптимального варианта в смысле заданногомножества критериев качества реализации ИКСУ, удовлетворяющегоопределенным внешним требованиям (ограничениям). Сложностьпроцесса проектирования ИКСУ приводит к ее реализации какмногоэтапной процедуры с несколькими уровнями описания исходнойсистемы.

Снизить сложность процесса проектирования позволяет последо-вательно-параллельная, многоэтапная, итерационная процедура, осно-вывающаяся на разбиении системы на подсистемы с пошаговымуточнением ее характеристик. Практически все процедуры ее проекти-рования при этом осуществляются с использованием компьютерныхтехнологий (в частности, CASE-систем), обеспечивающих многосторон-нюю помощь разработчикам при выполнении проекта.

Началом проектирования ИКСУ ГАП, как и любой сложнойсистемы, является:

· системный анализ, заключающийся в формировании целейпостроения ИКСУ ГАП, концептуальной структуры(решение задач виртуального уровня для неограниченныхвиртуальных ресурсов системы), в описании действующихна систему факторов;

· выявление объемов контроля и управления;· выявление состава пользователей и их обобщенных

функций;· выявление требований к интерфейсам пользователей;· выявление потоков данных в системе управления;· разработка иерархической структуры функций компонентов

процесса в объекте деятельности.Затем осуществляется разработка технического задания (ТЗ).

После утверждения ТЗ, осуществляется разработка архитектуры ИКСУ.Затем на физическом уровне выставляются ограничения на реальныересурсы, обусловленные применением реальных аппаратных,программных и информационных средств. Согласование требований ивозможностей приводит либо к изменениям в описаниях внешнихтребований, либо к выбору других вариантов средств реализации ИКСУГАП, либо к тому и другому.

17

Рис.1. Блок схема разработки ИКСУ

Формирование множества задачИКСУ

Выбор программных средств АСУподдеживающих архитектуру ИКСУ

Анализ структуры ИКСУ

Описание внешних требований

Разработка ТЗ

Разработка архитектуры ИКСУ

Описание ТП и ПП как объектауправления

Разработка структурных схем ИКСУ

Разработка средств реализации ИКСУ

Разработка алгоритмов управления вИКСУ и их программирование

Разработка информационногообеспечения ИКСУ

Разработка экранных форм

Монтаж, тестирование, запуск

Разработка рабочейдокументации

18

На этапе эскизно-технического синтеза ГАП осуществляется опре-деление вариантов основных технических решений и выбор комплексасредств ИКСУ. Этот этап можно рассматривать как стадию, совмещаю-щую в себе эскизное и техническое проектирование и позволяющуюподойти непосредственно к стадии рабочего проектирования.Ключевым вопросом на стадии эскизно-технического проектированияИКСУ ГАП является выбор методов и алгоритмов реализациипроцессов управления функционированием ГАП в целом.

Характеристики алгоритмов решения задач существенно влияютна выбор комплекса технических средств, структуру и содержаниеинформационной базы ГАП, а также на характеристики специальногопрограммного обеспечения ИКСУ ГАП. Формирование комплексаалгоритмических и программных модулей начинается уже на этапетехнологического синтеза ГАП, когда осуществляется выбор основноготехнологического оборудования с ЧПУ, оснащенного общим программ-мным обеспечением, которое обеспечивает работу оборудования вавтоматическом режиме (исключая специальные программы управле-ния, обработки конкретных изделий). Результатом структурного анализаявляется с той или иной степенью детализации формализованноеалгоритмическое описание ИКСУ ГАП, определяемое термином алго-ритмическая модель. Это описание фактически отражает особенностифункционирования ГАП. Окончательная отработка алгоритмов достига-ется уже в процессе эксплуатации.

Что касается программного и информационного обеспечения,то оно в значительной степени формируется на этапе эскизно-технического проектирования при выборе технических средств(выпускаемых промышленностью) и архитектуры ИКСУ.

Разработка же комплекса специального программного обеспе-чения, в соответствии с действующими руководящими материалами,относится к стадии рабочего проекта. Управляющие программыобработки изделий для нижнего уровня управления оборудованием всоответствии со спецификацией ГАП разрабатывают постоянно впроцессе его эксплуатации.

19

1. РАЗРАБОТКА КОНЦЕПТУАЛЬНОЙ СТРУКТУРЫИНТЕГРИРОВАННОЙ КОМПЬЮТЕРНОЙ СИСТЕМЫ

УПРАВЛЕНИЯ

Концептуальная структура ИКСУ разрабатывается перед техниче-ским заданием. Она должна детализировать в общем виде состав ееподсистем. Концептуальные схемы подсистем ИКСУ приведены нарисунках 1– 4.

Рис.2. Пример конфигурации ГАП механосборки

На рис. 2 показан пример концептуальной конфигурации ГАП.Здесь: 1 – сборочный робот; 2 – датчики очувствления; 3 – двухкоорди-натный стол; 4 – многоинструментальная сборочная головка; 5 –несинхронный конвейер; 6 – вспомогательные устройства; 7 – модульуправления степенью подвижности; 8 – модуль взаимодействия с датчи-ками очувствления; 9 – модуль управления дискретными входами ивыходами; 10, 14 – модули межуровневой связи системы управленияГАП; 11 – модуль интерпретации программы перемещений; 12 – модульреализации сложных перемещений; 13 – модуль связи с высшим уров-

А

7

3 54 6

8

1

9

10

2

1314

15 16 17

2

7 7 7 8

А А

10 1011 11 1112 12

А

14

В

ББ

20

нем ИКСУ ГАП; 15 – модуль оперативно-дискретного управления; 16 –модуль таймирования и диагностики; 17 – модуль генерации конфигу-рации системы; А – мультипроцессорный интерфейс машинного конт-роллера; Б – «полевой» интерфейс типа Fieldbus; В – Ethernet-выход навысший уровень ИКСУ.

На рис. 3 показан пример состава концептуальных операций понаполнению общей базы данных об изделии в АСКТПП.

Рис. 3. Концептуальные операции по наполнению общей базы данныхоб изделии в АСКТПП

Создание концепцииизделия в электронной

форме

Маркетинг, определениетребований к изделию

Проектировочныерасчеты и

моделирование

Проверочныерасчеты и

моделирование

Разработка технологииконтроля и испытаний

Разработка технологиисборки и мотнажа

Разработка маршрутной иоперационной технологии

механообработки и управляющихпрограмм

Контрольная сборка

Создание 3D- образов деталей икомпонентов (электронная

деталировка)

Формирование структуры исостава изделия(конфигурация)

Создание геометрической3D модели изделия

Общ

ая б

аза

данн

ых

об и

здел

ии

Общ

ая б

аза

данн

ых

оте

хнол

огич

еско

й ср

еде

(обо

рудо

вани

и,пе

рсон

але

и т.

д.)

Техн

олог

ичес

кая

подг

отов

ка п

роиз

водс

тва

Кон

стру

ктор

ская

под

гото

вка

прои

звод

ства

21

Рис. 4. Обобщенная структурная схема управления производствомНа рисунке 4 представлена обобщенная структурная схема

управления производством, которая включает в себя основные задачи,решаемые в АСУ ПП.

Пример концепции информационного взаимодействия подсистемИКСУ, его АРМ приведен на рис.5.

Концептуальным решением, приведенном на рисунке 5, являетсято, что АРМы специалистов реализуются в подсети АСУ ТП.

Рис.5. Пример информационного взаимодействия подсистем ИКСУЭто указывает на то, что в качестве инструмента экранных форм

будет использоваться ППП SCADA. Концептуально это означает то, чтографика экранных форм АРМ может быть привязана к реальномувремени и взаимодействие АСУ ТП с базами данных подсистем MES,

Оперативное планированиеОперативное

регулирование, контроль иучет производства

Управление обработкойУправление потокомзаготовок и оснастки

Управлениетехнологическимоборудованием

Управление транспортно-складским оборудованием Управление контрольно-

измерительнымоборудованием

Оперативныепроизводственные задания

Оперативные данные овыполнении операций

Информация о выполнениикоманд управления

Информация о выполнениикоманд управления

АРМ технолога АРМ диспетчера цеха, ст. мастера

АРМ диспетчерапо обслуживанию

оборудования

АРМ менеджера АРМ администратора

ERP. АРМ планирования

БД SQL

Оперативный анализОперативное планирование

(MES)

Входныематериалы

Выходнаяпродукция

Возмущающиевоздействия

Измеренияпараметров ТП

Контрольоборудования

ТП

ИсполнительнаяАСУТП

Технологический процесс (ГАП)

АСУТП, SCADA

АРМ САПР конструктора АРМ САПР

технолога

Корпоративная БД

22

CAD и ERP будет осуществляться через буферную зону (БД SQL). Этоважно для физического или виртуального разделения локальных под-сетей (ЛВС) АСУ ТП и АСУ ПП.

Цифровая модель (обобщенная БД об изделии) при концеп-туальном рассмотрении должна содержать, как геометрию изделия, таки все необходимые расчетные данные, карты технологических процес-сов, ведомости, управляющие программы для станков, электронныеописания изделия и технические руководства. Эту задачу можно решитьза счет создания единого информационного пространства предприятия,другими словами, единого пространства цифровых данных о корпора-тивной продукции. В результате конструкторы, технологи и другиеспециалисты будут получать не только информацию об изделии, но идополнять ее, формируя состав изделия и тем самым актуализируяконструкторско-технологическую информацию для разных служб

Рис. 6. Структурная схема ИКСУпредприятия. В дальнейшем, после изготовления изделия,

информация о нем будет использована сервисными подразделениямидля планового обслуживания, заказчиком - для конфигурированияготовой продукции под свои специфические потребности, а

Пульт оператора

19 20 21 22 23 2413 14 15 16 17 187 8 9 10 11 121 2 3 4 5 6

43 44 45 46 47 4837 38 39 40 41 4231 32 33 34 35 3625 26 27 28 29 30

HUB

DIO

RS4

85

RS

232

Ethe

rnet

DI

DO

Контроллер сбораданных Сервер

SCADA

БД(буфер MES)

БДАСУТП

АРМтехнолога

АРМДиспетчера

по обслуживаниюоборудования

АРМАдминистратора

SCADA

АРМДиспетчеракабельного

цеха

Modem Bank

DIO ТП

Prof

ibus

DIO

AIO

Машинный контроллеррабочего центра Siemens

RS

232

Комм

уник

ацио

нны

й п

роце

ссор

Fx2N

Ethernet

DIO

Ethernet

Ethernet

23

инженерным составом – для модернизации и изготовления новогоизделия на основе уже спроектированного.

Концепция коммуникационной среды передачи данных можетбыть представлена в виде, показанном на рис. 6. В качествекоммуникационных каналов связи межуровневого взаимодействия здесьпредлагается использовать Ethernet – связь. Это показано на рисунке.Однако проектировщик может обосновать выбор иного варианта,например, ProfiBus или RS- 485. В зависимости от этого выбора составмодульного расширения будет разным.

2. РАЗРАБОТКА ТЕХНИЧЕСКОГО ЗАДАНИЯ

Техническое задание формируется по результатам проведённогопредпроектного исследования и разработки концептуальных решенийИКСУ.

Разработка ТЗ ведётся в соответствии со стандартами:ГОСТ 34.601-90. Информационная технология. Комплекс

стандартов на автоматизированные системы. Автоматизированныесистемы. Стадии создания;

ГОСТ 34.602-89. Комплекс стандартов на автоматизированныесистемы. Техническое задание на создание автоматизированнойсистемы.

Техническое задание на автоматизированную систему с учётомтребований ГОСТ 34.602-89 содержит следующие разделы:

· общие сведения;· назначение и цели создания (развития) системы;· характеристика объектов автоматизации;· требования к системе;· состав и содержание работ по созданию системы;· порядок контроля и приемки системы;· требования к составу и содержанию работ по подготовке

объекта автоматизации к вводу АС в действие;· требования к документированию;· источники разработки;· приложения.

В зависимости от вида, назначения, специфических особенностейобъекта автоматизации и условий функционирования системы допуска-ется оформлять разделы ТЗ в виде приложений, вводить дополнитель-ные, исключать или объединять подразделы ТЗ.

24

ТЗ должно соответствовать современному уровню развития наукии техники, максимально точно отражать цели, замысел и требования ксоздаваемой системе и при этом не ограничивать разработчика в поискеи реализации наиболее эффективных технических, технико-экономиче-ских и других решений. В соответствии с ГОСТ 34.601-90, послесогласования с Заказчиком, выполняется разработка, оформление,согласование и утверждение Технического задания на АС (при необхо-димости – на части АС). Данный стандарт также определяет составучастников проектирования и реализации проектных решений, которыеучаствуют в составлении и(или) согласовании ТЗ. В самом общемслучае к ним относятся:

· организация-заказчик (пользователь), для которой создаётсяАС и которая обеспечивает финансирование, приёмку работи эксплуатацию как по всей АС, так и по отдельным еёкомпонентам;

· организация-разработчик (генпроектировщик), осущест-вляющая работы по созданию АС, представляя Заказчикусовокупность научно-технических услуг на разных стадияхи этапах создания, а также разрабатывая и поставляяразличные программные и технические средства АС. Данная(головная) организация может пользоваться услугамидругих организаций, работающих у неё на субподряде;

· организация-поставщик, изготавливающая и (или) постав-ляющая программные и технические средства по заказуРазработчика или Заказчика;

· организации, выполняющие строительные, электротехни-ческие, санитарно-технические, монтажные, наладочные идругие подготовительные работы, связанные с созданиемАС.

ГОСТ 34.602-89 устанавливает порядок разработки, согласованияи утверждения ТЗ на создание (развитие или модернизацию)автоматизированных систем различного назначения, а также состав исодержание указанного документа независимо от того, будет ли онаработать самостоятельно или в составе другой системы. В зависимостиот условий создания системы возможны различные совмещенияфункций заказчика, разработчика, поставщика и других организаций,участвующих в работах по созданию АСУ.

ТЗ на ИКСУ разрабатываются на основании исходных данных.Это означает, что Заказчик должен предоставить исполнителю докумен-тацию на оборудование ГАП, существующие на предприятии АСУ.

25

Раздел “Общие сведения”· Полное наименование системы и её условное обозначение.· Наименование и реквизиты предприятий (объединений)

разработчика и заказчика системы.· Перечень документов, явившихся основанием создания

системы, кем и когда они утверждены.· Возможные сроки начала и окончания работ по созданию

системы.· Сведения об источниках и порядке финансирования работ.· Порядок оформления и предъявления заказчику результатов

работ по созданию системы или её частей, по изготовлениюи наладке отдельных средств (технических, программных,информационных) и программно-технических комплексовсистемы.

Раздел “Назначение и цели создания (развития) системы”· Под “Назначением системы” понимается вид автоматизи-

руемых процессов (деятельности) и перечень предпола-гаемых к использованию объектов.

· В пункте “Цели создания системы” приводятся наимено-вания и требуемые значения технических, технологических,производственно-экономических и других показателейобъекта автоматизации, достигаемые в результате созданияАС, указываются критерии оценки достижения целей созда-ния системы.

Раздел “Характеристики объекта автоматизации”· Краткие сведения об объекте автоматизации или ссылки на

документы, содержащие эти данные.· Сведения об условиях эксплуатации объекта автоматизации.· Характеристики внешней среды, в которой функционирует

объект автоматизации.Раздел “Требования к системе” содержит подразделы с требова-

ниями к системе в целом, функциям (задачам), выполняемым системой,видам обеспечения.

Требования к численности и квалификации персонала АС содержаттребования к численности персонала и пользователей АС; квалифи-кации персонала, порядку его подготовки, контроля знаний и навыков;режиму работы персонала АС.

Требования по безопасности включают требования по обеспече-нию безопасности при монтаже, наладке, эксплуатации, обслуживаниии ремонте технических средств системы (защита от воздействия

26

электрического тока, электромагнитных полей, акустических шумов ит.п.), допустимым уровням освещённости, вибрационных и шумовыхнагрузок.

Требования по сохранности информации содержат переченьсобытий: аварий, отказов технических средств (в т.ч. потерей питания) ит.п., при которых должна быть обеспечена сохранность информации всистеме, а также требования к подсистеме резервного копирования иархивного хранения документов и данных.

В требования к защите информации от несанкционированногодоступа включают требования, действующей в отрасли (ведомстве)заказчика.

В требования по эргономике и технической эстетике включаютпоказатели АС, задающие необходимое качество взаимодействия чело-века с машиной и комфортность условий работы персонала.

Требования к стандартизации и унификации включают показа-тели, устанавливающие соответствие с государственными стандартами,ведомственными и другими нормами.

В дополнительные требования могут быть включены:требования к оснащению системы устройствами для обучения

персонала (тренажерами, другими устройствами аналогичного назна-чения) и документацией на них;

требования к сервисным средствам, стендам для проверки эле-ментов системы;

требования к системе, связанные с особыми условиями эксплуа-тации;

специальные требования по усмотрению разработчика или заказ-чика системы.

Подраздел “Требования к видам обеспечения” в зависимости отвида системы может содержать требования к математическому, инфор-мационному, лингвистическому, программному, техническому, органи-зационному, методическому и другим видам обеспечения системы.

В части требований к математическому обеспечению системыприводятся требования к составу, области применения (ограничения) испособам использования в системе математических методов и моделей,типовых алгоритмов и алгоритмов, подлежащих разработке.

В части требований к информационному обеспечению системыприводят требования:

· к составу, структуре и способам организации фондов имашиночитаемых данных в системе;

· к информационному обмену между компонентами системы;· к информационной совместимости со смежными системами;

27

· по использованию коммуникативных форматов, унифицирован-ных документов, действующих в данной организации и (или)взаимодействующей группе организаций;

· к внутрисистемным форматам данных;· по применению систем управления базами данных;· к структуре процесса сбора, обработки, передачи данных в

системе и представлению данных;· к защите данных от разрушений при авариях и сбоях в электро-

питании системы;· к контролю, хранению, обновлению и восстановлению данных.В части требований к лингвистическому обеспечению системы

приводятся требования к применению в системе:· классификаторов и тезаурусов,· языков взаимодействия пользователей и технических средств

системы,· средств кодирования и декодирования данных,· конверторов,· языков ввода-вывода данных,· языков манипулирования данными,· способов организации диалога.В части требований к программному обеспечению АС приводятся

общие функциональные и общесистемные требования к приобретаемыми вновь разрабатываемым программным продуктам. При этом следуетпредусмотреть:

· решение средствами ПО системы полного комплекса служеб-ных и пользовательских задач;

· поддержку возможностей обработки, хранения и актуализациизаданных видов документов и данных с учётом необходимыхих количественных показателей;

· поддержку возможности настройки на заданные входные ивыходные формы документов;

· поддержку необходимых форматов данных и средств лингви-стического обеспечения;

· поддержку требований протоколов телекоммуникационногообмена данными, действующими в области функционированияАС,

· обеспечение необходимой для создаваемой АС скорости обра-ботки и поиска данных,

28

· обеспечение требований стандартизации, унификации, эргоно-мики, защиты информации и соответствия другим, не перечис-ленным в данном пункте, требованиям, включённым в другиепункты ТЗ.

В части требований к средствам технического обеспечениясистемы приводят требования к видам технических средств, в томчисле к видам комплексов технических средств, программно-техни-ческих комплексов и других комплектующих изделий, допустимых киспользованию в системе, а также к функциональным, конструктивными эксплуатационным характеристикам средств технического обеспе-чения системы.

В части требований к организационному обеспечению приводяттребования к структуре и функциям подразделений, участвующих вфункционировании системы или обеспечивающих эксплуатацию;организации функционирования системы и порядку взаимодействияперсонала АС с персоналом объекта автоматизации; защите от оши-бочных действий персонала системы.

В требования по обеспечению управления и контроля включают:· перечень контролируемых параметров технологической цепи

обработки входных документов и обслуживания пользова-телей,

· требования к регламенту обработки входных документов иобслуживания пользователей,

· требования к видам статистической обработки контроли-руемых данных, а также их выходным формам,

· требования к средствам формально-логического контроля.Раздел “Состав и содержание работ по созданию (развитию)

системы” должен содержать перечень стадий и этапов работ посозданию системы в соответствии с ГОСТ 34.601-90, сроки их выпол-нения, перечень организаций-исполнителей работ, ссылки на докумен-ты, подтверждающие их согласие на участие в создании системы и т.п.

В разделе “Порядок контроля и приемки системы” указывают:· виды, состав, объём и методы испытаний системы и её

составных частей (виды испытаний в соответствии с дей-ствующими нормами, распространяющимися на разрабаты-ваемую систему);

· общие требования к приемке работ по стадиям (переченьучаствующих организаций, и/или юридических и физическихлиц, место и сроки проведения), порядок согласования иутверждения приёмочной документации;

29

· статус приёмочной комиссии (государственная, межведом-ственная, ведомственная и т.п.).

В разделе “Требования к составу и содержанию работ поподготовке объекта автоматизации к вводу системы в действие”необходимо привести перечень основных мероприятий, которыеследует выполнить при подготовке объекта автоматизации к вводу АИСв действие, и их исполнителей.

В разделе “Требования к документированию” приводят:· согласованный разработчиком и заказчиком системы перечень

подлежащих разработке комплектов и видов документов, в т.ч.выпускаемых на машинных носителях;

· требования по документированию комплектующих элементовмежотраслевого применения в соответствии с требованиямиЕСКД и ЕСПД;

· при отсутствии государственных стандартов, определяющихтребования к документированию элементов системы, допол-нительно включают требования к составу и содержанию такихдокументов.

Обеспечение качества проектной документации относится квозможностям средств проектирования анализировать и проверятьописания и документацию на полноту и непротиворечивость, а также насоответствие принятым стандартам и правилам (включая ГОСТ, ЕСПД).

В разделе “Источники разработки” должны быть перечисленыдокументы и информационные материалы (технико-экономическоеобоснование, отчеты о законченных научно-исследовательских работах,информационные материалы на отечественные, зарубежные системы-аналоги и др.), на основании которых разрабатывалось ТЗ и которыедолжны быть использованы при создании системы.

В состав ТЗ на АС включают приложения, содержащие расчётожидаемой эффективности системы; оценку научно-технического уров-ня системы; использованные при разработке ТЗ методические и наибо-лее важные информационные материалы из состава документов указан-ных в разделе “Источники разработки”.

Дополнительные рекомендации по составу и содержанию техни-ческого задания на автоматизированные системы различного назна-чения и приложений к ним содержатся также в РД 50-640-87 и ГОСТ24.602-86, ГОСТ 21.408-93 «Правила выполнения рабочей документа-ции автоматизации технологических процессов основной комплектрабочих чертежей систем автоматизации».

30

Состав основного комплекта рабочих чертежей систем автома-тизации. В основной комплект рабочих чертежей систем автоматизации(далее основной комплект) в общем случае включают:

- общие данные по рабочим чертежам;- схемы автоматизации;- схемы принципиальные (электрические, пневматические);- схемы (таблицы) соединений и подключения внешних проводок;- чертежи расположения оборудования и внешних проводок;- чертежи установок средств автоматизации.Объекты управления (отделения, системы, установки, агрегаты,

аппараты) и относящиеся к ним средства автоматизации, не связанныемежду собой и имеющие одинаковое оснащение системами автомати-зации, изображают на схемах и планах расположения один раз, поясняятекстовыми указаниями.

Основной комплект допускается оформлять самостоятельнымидокументами с присвоением им базового обозначения (например, в ТПУФЮРА. ОКП) и добавлением порядкового номера документа (араб-скими цифрами).

Пример - ФЮРА.425400.098 ПЗ и т.д.Для объектов с небольшим объемом монтажных работ по авто-

матизации допускается объединять рабочие чертежи автоматизацииразличных технологических процессов и инженерных систем в одиносновной комплект, если их монтаж осуществляет одна монтажнаяорганизация. Объединенному основному комплекту присваивают маркуАК.

В случае применения приборов с радиоизотопными методамиизмерения рабочие чертежи для их монтажа выделяют в самостоя-тельный основной комплект.

Общие данные по рабочим чертежам (далее – общие данные)выполняют по ГОСТ 21.101. При этом ведомость спецификаций несоставляют.

Дополнительно к указанным в ГОСТ 21.101 данным включают:- таблицу исходных данных и результатов расчетов сужающих

устройств (не поставляемых промышленностью) по форме 1* согласноГОСТ 21.101;

- таблицу исходных данных и результатов расчетов регулирующихорганов по форме 2 ГОСТ 21.101;

- перечень закладных конструкций, первичных приборов (разме-щаемых на технологическом, санитарно-техническом и другом оборудо-вании и коммуникациях) по форме 3 ГОСТ 21.101.

31

В перечень закладных конструкций, первичных приборов исредств автоматизации включают:

- закладные конструкции, предназначенные для установки прибо-ров измерения температуры, отборных устройств давления, уровня,состава и качества вещества;

- первичные приборы (объемные и скоростные счетчики,сужающие устройства, ротаметры, датчики расходомеров и концентра-томеров);

- датчики уровнемеров и сигнализаторов уровня;- регулирующие клапаны.

3. ПРОЕКТИРОВАНИЕ АРХИТЕКТУРЫ ИКСУ

Целью ИКСУ является обеспечение условий для взаимосвязан-ного, согласованного управления конструкторско-технологической под-готовкой производства и управления производственными и технологи-ческими процессами.

Методологией проектирования ИКСУ является разделение объек-тов автоматизации (систем автоматизированного проектирования,технологического и производственного процессов) на части, позволяя-ющие осуществить эффективную автоматизацию каждой из них иавтоматизацию в целом.

Применительно к иерархически организованной системе управ-ления различают горизонтальную и вертикальную интеграции (рис. 7).

В общем случае горизонтальная интеграция предполагает объеди-нение АС одного уровня (например, автономных систем автоматизациипроектных работ, технологических или производственных процессов), авертикальная – разных уровней.

В частности, вертикальная интеграция предполагает объединениемежду собой систем автоматизированного проектирования, систем ав-томатизации технологических и производственных процессов, а такжекорпоративных систем (планово экономических, логистических, финан-совых, управление персоналом) в единую интегрированную информа-ционную сеть, что обеспечивает необходимый обмен данными вреальном масштабе времени между всеми подразделениями управлен-ческого уровня, основного и вспомогательного производства.

32

Рис.7. Иерархическая структура системной интеграцииавтоматизированной системы

Целью межуровневой и внутриуровневой интеграции являетсяустановление рациональных способов организации взаимосвязи ивзаимодействия частей одного иерархического уровня и различныхуровней

В настоящее время в ИКСУ вертикальная интеграция форми-руется путем организации потоков информации от нижнего уровня(датчиков и контроллеров технологического оборудования, АСУ ТП),от конструкторской документации САПР во внутренние вычисли-тельные сети участков и цехов (MES), и далее в вычислительные сетипредприятия в целом (КИС) (ERP, MRP).

Попытки унификации технологий управления на каждом из этихуровней привело к возникновению, так называемой, архитектурнойконцепции построения системной интеграции. В ее основе лежиттехнология открытых систем.

Сущность технологии открытых систем состоит в формированиисреды, включающей программное обеспечение, аппаратные средства,службы связи, интерфейсы, форматы данных и протоколы, обеспечи-вающей переносимость, взаимосвязь и масштабируемость приложенийи данных.

ERP

MES

АСУТП/SCADA

ДатчикиПриводы

РЦ-контроллеры

Архитектура

Открытаяпромышленная

структура

Сигналыраспределенные

по территории

Горизонтальнаявертикальная

интеграция

33

Совокупность этих качеств достигается использованием развиваю-щихся, общедоступных и общепризнанных стандартов на продуктыинформационных технологий, составляющих среду открытой системы.

Основным приемом построения корректной архитектуры ИКСУслужит функциональная стандартизация или построение функциональ-ного стандарта – профиля.

Профиль – это согласованный набор базовых стандартов, предназ-наченный для решения какой-либо задачи или класса задач (в част-ности, автоматизации предприятия). Его построение позволяетпроектировать и развивать ИКСУ наиболее экономичным образом. Есливсе программно-аппаратные средства, поставляемые различными произ-водителями, соответствуют профилю, т.е. выполнены в соответствии снеобходимыми стандартами, то они будут работать в единой среде, гдебудет обеспечена переносимость приложений, взаимодействие ифункциональная расширяемость. На современном этапе развитиясистемной интеграции этот профиль строится путем применения архи-тектуры моделей.

В основе современных архитектур ИКСУ лежат две группы моде-лей: CIM (Computer-Integated Manufacturing) – модель объектов данныхс описанием информации, циркулирующей в ИКСУ и PERA/SCOR –операционные модели, определяющие процессы преобразования инфор-мации в ИКСУ. Выбор модели зависит от цели проектирования ИКСУ,но при любом выборе в этих моделях выделяют четыре общих группстандартов:

· стандартов на уровни;· стандартов на информационные потоки;· стандартов на интерфейсы;· стандартов на операции и функции.

Требования этих стандартов описаны в следующих документах: S-88, MES, S 95, ОРС, PROFINET (IEC 61158), ODBC (Open DataBaseConnectivity), SQL, CALS, PLM.

Стандарт S88 направлен на увеличение гибкости и прозрачностиоборудования и программного обеспечения. Он «обслуживает» такназываемые batch-процессы и устанавливает рекомендации по решениюзадач, связанных с управлением оборудованием, безопасностью, произ-водственными рисками и контролем производственных операций.Batch-процесс определяется как «процесс выпуска конечного количе-ства продукции на основе обработки конечного количества входныхматериалов в соответствии с указанной рецептурой на одной или болееединицах оборудования». В отличие от непрерывного производства,

34

batch-процессы основаны на использовании ограниченного количестваматериала, называемого партией. Такие процессы характерны для ГПС.

В соответствии с требованиями стандарта ISA S88.01-1995 (его IECэквивалент – IEC 61512-1-1998) при проектировании ИКСУ должнабыть разработана модель состояний ГПС и технологического процесса вцелом, которую иногда называют виртуальной машиной состояний.

Поведение оборудования планируется в виде диаграммы состоя-ний. В любой момент времени оборудование может находиться в одномиз предполагаемых состояний – Остановка, Сброс, Пуск, Работа,Подготовка, Авария и т.п.

Фаза «Подготовка», в частности, позволяет:· конфигурировать последовательность состояний· управлять переходами посредством стандартного пользова-

тельского интерфейса непосредственно в контроллере· планировать поведение оборудования при возникновении

различных ситуаций, и вместе с тем, получить простую иструктурированную программу.

При использовании рекомендаций этого стандарта контроллербудет использовать виртуальную машину состояний для определениясостояния оборудования в любой момент времени и управлять им.

Стандарт ISA 95 отвечает за решение задач операционногоменеджмента средствами информационных систем. Он определяетинтерфейсы между бизнес-функциями и производственными опера-циями и служит для интегрирования традиционных систем управленияERP, MES и DCS. Стандарт описывает современную модель производ-ственных операций, получившую развитие в системах для исполненияпроизводственной деятельности (рис. 8), и содержит примеры доку-ментов отчетности и аналитических зависимостей, используемых дляоценки эффективности производства. Особенностями стандарта являют-ся детальное описание предметной области цеховых информационныхсистем в виде диаграмм UML, описание операционной модели, а такжеспецификация основных трансфертных объектов, используемых в ин-терфейсах интеграции внутрицеховых приложений.

35

Pиc.8. Иерархическая модель управления согласно ISA 95

В первой части ISA-95.00.01 рассматривается многоуровневаямодель обмена информацией и связи между функциями бизнес-плани-рования и логистики (уровень 4) и производственными подразделе-ниями (уровень 3).

Вторая часть стандарта определяет форматы обмена даннымичерез эти связи в соответствии со схемой взаимодействия Business toManufacturing Markup Language. Здесь определены форматы документовдля обмена информацией по оборудованию, материалам, персоналу,материалоемкости продукции, технологии изготовления, производ-ственным заданиям и эффективности техпроцессов.

Третья часть ISA-95 описывает модели и действия, характерныедля уровня управления производством (уровень 3), которые обычноподдерживаются системами:

· исполнения производственной деятельности — MES (Manufac-turing Execution Systems);

· контроля качества — LIMS (Laboratory Information ManagementSystem);

· автоматизированного управления активами предприятия EAM(Enterprise Asset Management), поддерживающими весь жиз-ненный цикл оборудования.

ISA-95.00.03 также расширяет дополнительными функциямитермин MES до современного уровня его понимания ассоциацией

Стандартныеформаты обмена

даннымиISA 95.00.01 иISA 95.00.02

Функциональнаямодель

производственныхоераций и

активностиISA 95.00.03

ИнтерфейсыМЭК, ОРС

ISA 88

Уровень 4 Бизнес-планирование и логистика

Уровень 3 Оперативное управление производством:Дисетчеризация. Оперативное планирование. Учет. Контроль качества

Уровень 2АСУ ТП

Уровень 0 Производственный процесс

Уровень 1 Датчики, исполнительные устройства

Пар

амет

ры о

бору

дова

ния

и те

хпро

цесс

а

Ком

анды

опе

рати

вног

оуп

равл

ения

Сос

тоян

иеоб

оруд

ован

ия

Сос

тав

техп

роце

сса

иоб

рудо

вани

я

Ресу

рсы

Опи

сани

ете

хнол

огии

Дос

тупн

ые

ресу

рсы

Про

изво

дств

енно

еза

дани

е

Ана

лиз

эффе

ктив

нос

ти

36

MESA (Manufacturing Execution Enterprise Solutions Association), до-бавляя новые модели движения производственных запасов, управлениятехобслуживанием, лабораторных анализов качества и др.

Модель управления производством не определяет приложения,поддерживающие рассматриваемые функции, а описывает различныезадачи и их взаимосвязи. Такой подход считается общепринятым припозиционировании архитектурных решений ИКСУ.

Модель производства приводится в действие планами производ-ства (составляемыми на уровне бизнес-систем при взаимодействии склиентами и поставщиками), которые затем спускаются на производ-ство, где по ним составляются детальные графики производства,содержащие рабочие производственные задания, определяющие повремени действия и события, возникающие при их выполнении. Частьинформации, поступающей ниже на уровень 2, определяется стандар-тами ISA-88, OMAC, OPC, Fieldbus и др.

Модели деятельности при управлении производственнымипроцессами рассмотрены в ISA-95.00.04.

Пятый раздел стандарта посвящен транзакциям между бизнес-приложениями и производством. В управление производственнымиресурсами входят функции управления персоналом, оборудованием иматериалами, которые регулируют как текущий статус, так идоступность ресурсов в будущем (отпуск, плановое обслуживание иремонт). Имеются также функции для управления рецептурой итехнологией производства продукции. Часть информации по нимобрабатывается совместно с системами планирования ресурсов MRP иуправления жизненным циклом продукции PLM на уровне финансово-хозяйственной деятельности предприятия.

MES – это исполнительная система производства. Системы такогокласса решают задачи синхронизации, координируют, анализируют иоптимизируют выпуск продукции в рамках какого-либо производства иобеспечивают:

1) активацию производственных мощностей;2) отслеживание производственных мощностей;3) сбор информации, связанной с производством, от систем автома-

тизации производственного процесса; сенсоров; персонала; про-граммных систем;

4) отслеживание и контроль параметров качества;5) информирование персонала и оборудования информацией, необ-

ходимой для начала процесса производства.6) установление связей между персоналом и оборудованием в рамках

производства;

37

7) установление связей между производством и поставщиками,потребителями, инженерным отделом, отделом продаж и менедж-ментом;8) реагирование на

· требования по номенклатуре производства,· изменение компонентов, сырья и полуфабрикатов,

применяемых в процессе производства,· изменение спецификации продуктов,· доступность персонала и производственных мощностей.

Стандарты ОРС [СОМ (Component Object Model), DCOM(распределенная СОМ) и DNA for Manufacturing (Distributed interNetApplications for Manufacturing) компании Microsoft, , Java компании SunMicrosystems со своими объектами JavaBeans и апплетами, а такжеSun Connect компании Sun Microsystems] – это стандарты подклюю-чаемости компонентов ИКСУ. Они разработаны с целью сокращениязатрат на создание и сопровождение приложений промышленной авто-матизации. Их применение при проектировании архитектуры ИКСУрешает вопросы обмена данными с устройствами разных произво-дителей или по разным протоколам обмена данными. Наиболее приме-няемым в ИКСУ является стандарт OPC.

OPC (OLE for Process Control) это программная технология набазе Windows-технологий (OLE, ActiveX, COM/DCOM), предостав-ляющая единый интерфейс для управления объектами автоматизации итехнологическими процессами.

Девиз OPC: открытые коммуникации по открытым протоколам.OPC – это набор спецификаций стандартов. Каждый стандарт описы-вает набор функций определенного назначения. Текущие стандарты:

OPC DA (Data Access) описывает набор функций обмена данными вреальном времени с ПЛК, РСУ, ЧМИ, ЧПУ и другими устройствами;

OPC AE (Alarms & Events) предоставляет функции уведомления потребованию о различных событиях: аварийные ситуации, действияоператора, информационные сообщения и другие;

OPC Batch предоставляет функции шагового и рецептурного управ-ления технологическим процессом (в соответствии с стандартомS88.01);

OPC DX (Data eXchange) предоставляет функции организации обменаданными между OPC-серверами через сеть Ethernet. Основное назна-чение – создание шлюзов для обмена данными между устройствами ипрограммами разных производителей;

38

OPC HDA (Historical Data Access) предоставляет доступ к ужесохраненным данным;

OPC Security определяет функции организации прав доступа клиен-тов к данным системы управления через OPC-сервер;

OPC XML-DA (XML-Data Access) предоставляет гибкий, управляемыйправилами формат обмена данными через SOAP и HTTP.

Суть OPC проста – предоставить разработчикам промышленныхпрограмм универсальный фиксированный интерфейс (то есть наборфункций) обмена данными с любыми устройствами ИКСУ. В своюочередь разработчики устройств ввода-вывода данных дополняютпоследние специальной программой, реализующей этот интерфейс(набор функций). Полезность применения OPC с точки зрения интег-рации вытекает из самой сути OPC. Первое преимущество – еслизаменяется какой-нибудь компонент ИКСУ, то нет нужды коррек-тировать другое ПО, так как при замене драйвера поверх него будетработать инсталлированный OPC. Это значит, что при включении вИКСУ нового компонента необходимо будет лишь правильно егосконфигурировать на программном уровне. Второе – если в системудобавить новые программы, нет необходимости предусматриватьразработку для них драйверов или интерфейсов связи, кроме какконфигурирования OPC-клиента. Это позволяет разработчику ИКСУсконцентрировать свое внимание на проектных решениях ИКСУ.

На данный момент используется OPC версии 3.0, однако болеераспространенной версией пока является 2.1. Недавно разработанныйстандарт OPC UA (Unified Architecture) унифицирует набор функцийдля обмена данными, регистрации событий, хранения данных, обеспе-чения безопасности данных.

Чаще всего для создания приложений с поддержкой OPC исполь-зуют языки программирования C++ или Visual Basic.

Исходя из области применения OPC-серверов, в АСУ предприятияразличают несколько уровней управления:

· нижний уровень – полевые шины (fieldbus) и отдельныеконтроллеры;

· средний уровень – цеховые сети;· уровень АСУ ТП – уровень работы систем типа SCADA;· уровень АСУП – уровень приложений управления ресурсами

предприятия.На каждом из этих уровней могут быть несколько OPC-серверов,

которые поставляют свои данные OPC-клиенту на более высокомуровне или «соседу» по уровню.

39

Если имеется оборудование, например плата АЦП, декодерштрихкода, измеритель веса, управляемые через свои драйверы накомпьютере с Windows или другой ОС и поддерживающиеCOM/DCOM, то это самые главные кандидаты на реализацию OPC-серверов, которые можно установить непосредственно поверх ихдрайверов.

CALS стандарты – это архитектурная поддержка сбора данных втечение жизненного цикла продукции. Она обеспечивает единообраз-ные способы управления процессами и взаимодействия всех участниковэтого цикла: заказчиков продукции, поставщиков/производителейпродукции, эксплуатационного и ремонтного персонала. На предприя-тии CALS реализуeтся в соответствии с требованиями системымеждународных стандартов, регламентирующих правила указанноговзаимодействия преимущественно посредством электронного обменаданными.

Применение CALS-технологий [10, 13] позволяет существенносокра-тить объёмы проектных работ, так как описания многихсоставных частей оборудования, машин и систем, проектировавшихсяранее, хранятся в унифицированных форматах данных сетевыхсерверов, доступных любому пользователю технологий CALS.Существенно облегчается решение проблем ремонтопригодности,интеграции продукции в различного рода системы и среды, адаптации кменяющимся условиям эксплуатации, специализации проектныхорганизаций и т. п. Главная задача такого решения – обеспечениеединообразного описания и интерпретации данных, независимо отместа и времени их получения в общей системе, имеющей масштабывплоть до глобальных. Структура проектной, технологической иэксплуатационной документации, языки её представления должны бытьстандартизированными. Тогда становится реальной успешная работанад общим проектом разных коллективов, разделённых во времени ипространстве и использующих разные, в том числе и CAD-CAM-системы. Одна и та же конструкторская документация может бытьиспользована многократно в разных проектах, а одна и та же техно-логическая документация адаптирована к разным производственнымусловиям, что позволяет существенно сократить и удешевить общийцикл проектирования и производства. Кроме того, упрощается эксплуа-тация систем.

Для обеспечения информационной интеграции в качестве форматовданных используются стандарты ГОСТ Р ИСО 10303. В CALS входяттакже стандарты электронного обмена данными, электронной техни-

40

ческой документации и руководства для усовершенствования процес-сов.

PLM – это множество стандартов, которые обеспечивают компа-нии успешное внедрение CALS технологии и инноваций в разработку ипроизводство конкурентоспособной продукции низкой стоимости.

PLM – это стратегический бизнес-подход, который применяетсогласованный набор бизнес-решений по поддержке коллективногопроцесса разработки, управления, передачи и использования инфор-мации об изделии от концепции до утилизации. Он реализуется в рам-ках предприятия на основе интеграции людей, процессов и инфор-мации.

Вариантов технической реализации и конкретных средств, предла-гаемых различными производителями в рамках системной интеграции,достаточно много, однако в целом облик программно-техническойструктуры системной интеграции практически приближается к неко-торой унифицированной форме в виде продуктов ведущих мировыхсистемных интеграторов для промышленных предприятий CATIA,ENOVIA, SMARTEAM и DELMIA (Dassault Systems), PI System (OSISoftware), Total Plant Solution (Honeywell), FactorySuite (Wonderware),Enterprise Technology Solution (Yokogawa), Mizushima Plant (MitsubishiChemical Co), Plant Information Management System (JGC Corporation)).

По существу, эти решения представляют собой переход к архитек-турным решениям CALS-технологии, основой которой являются сле-дующие базовые принципы:

· прикладные программные средства должны быть отделены отданных;

· структуры данных и интерфейсы доступа к ним должны бытьстандартизованы;

· данные об изделии, процессах и ресурсах не должны дубли-роваться.

В результате этого число ошибок минимизируется и тем самымобеспечивается полнота и целостность информации.

При этом предполагается, что единый центр оперативного управ-ления, оснащенный автоматизированной системой диспетчерскогоуправления (SCADA-системой), должен осуществлять решение такихзадач, как

- оперативный мониторинг производственного и технологическогопроцессов, осуществляемый в реальном масштабе времени;

- получение и обработка технологических, производственнойинформации и указаний (заданий) от верхнего (стратегического) звенауправления предприятием;

41

- оперативное корректирующее управление материальными иэнергетическими потоками в соответствии с изменениями производ-ственной ситуации и указаниями вышестоящего уровня управления;

- оперативное корректирующее управление запасами и производ-ственными ресурсами;

- мониторинг и управление качеством производства;- контроль и, при необходимости, корректирующее воздействие по

управлению отдельными, наиболее важными технологическими уста-новками (рабочими центрами);

- прогностический анализ возникновения сбоев, отказов и аварий-ных ситуаций и формирование демпфирующих корректирующих управ-лений;

- автоматизированное накопление и хранение производственногоопыта в информационном хранилище и т.п.

При этом, в соответствии с системным подходом, отдельное тех-нологическое оборудование может работать в экономически неопти-мальных режимах, поскольку его загрузка и режимы эксплуатациидолжны согласовываться с оптимизационными решениями на уровневсего производства с учетом указанных взаимосвязей и различныхфакторов влияния. Иными словами, оптимизация работ каждого рабо-чего центра может приводить к субоптимальным решениям, учитываю-щим совокупность ограничений, полученных с вышестоящего уровняоптимизации, охватывающего весь производственный цикл предприя-тия.

ODBC (Open DataBase Connectivity) – это программный интерфейс(API) доступа к базам данных (открытая связь с базами данных). Онпозволяет единообразно оперировать с разными источниками данных,отвлекаясь от особенностей взаимодействия в каждом конкретномслучае.

Анализ проектных решений комплексной автоматизации показывает,что предприятия тратят около 35–40 % своего бюджета, отводимого наподдержку информационных технологий, на работы по организацииобмена данными между приложениями и СУБД. Столь высокийпроцент затрат объясняется несовместимостью форматов данных междуунаследованными приложениями и стандартами применяемых СУБД«островной автоматизации». Вот почему необходимо использоватьединый стандарт управления базами данных. В начале 1990 г. существо-вало несколько поставщиков баз данных, каждый из которых имелсобственный интерфейс. Если приложению было необходимо общатьсяс несколькими источниками данных, для взаимодействия с каждой избаз данных было необходимо написать свой код. Для решения возник-

42

шей проблемы Microsoft и ряд других компаний создали стандартныйинтерфейс для получения и отправки данных источникам данныхразличных типов. C помощью ODBC прикладные программисты могутразрабатывать приложения для использования одного интерфейса дос-тупа к данным, не беспокоясь о тонкостях взаимодействия с несколь-кими источниками.

Это достигается благодаря тому, что поставщики различных базданных создают драйверы, реализующие конкретное наполнениестандартных функций из ODBC с учетом особенностей их продукта.Приложения используют эти функции, реализованные в соответствую-щем конкретному источнику данных драйвере, для унифицированногодоступа к различным источникам данных. SQL – это язык структури-рованных запросов – универсальный компьютерный язык, применяе-мый для создания, модификации и управления данными в реляционныхбазах данных. Структурированный язык запросов основан на реляцион-ной алгебре. Это язык манипулирования данными, который позволяетописывать условия поиска информации, не задавая для этогопоследовательность действий, нужных для получения ответа. SQLявляется стандартным средством доступа к серверу баз данных.Стандарт SQL содержит компоненты, как для определения, изменения,проверки, так и защиты данных.

Стандарт PROFINET (IEC 61158) предназначен для коммуника-ционной части систем промышленной автоматизации. Он обеспечиваетдоступ к устройствам полевого уровня (датчикам, машинным контрол-лерам, исполнительным устройствам) со всех уровней управленияпредприятием. Стандарт позволяет выполнять системно широкий обменданными, поддерживает проектирование ИКСУ в масштабах предприя-тия и использует IT стандарты вплоть до полевого уровня. Он поддер-живает практически все существующие сети полевого уровня(PROFIBUS, Ethernet, AS-I, CAN, LonWorks и др.). Все они могут бытьинтегрированы в PROFINET без модификации установленной аппара-туры.

PROFINET базируется на Industrial Ethernet и использует стандартTCP/IP (транспортный протокол/Internet протокол) для выполненияопераций настройки параметров, конфигурирования и диагностики.Обмен данными в реальном масштабе времени выполняется черезстандартные каналы связи Ethernet параллельно со стандартнымивариантами обмена данными в сети Ethernet.

Определившись с набором стандартов, которым должна удовлет-ворять ИКСУ, можно приступать к проектированию ее отдельныхкомпонентов.

43

4. ОПИСАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА КАКОБЪЕКТА АВТОМАТИЗИРОВАННОГО УПРАВЛЕНИЯЛюбое производство состоит из множества технологических

операций, каждая из которых служит для решения общей задачивыпуска конкурентоспособной продукции. Даже если большинствотехнологических операций управляется автоматизированными система-ми типа ГАП, РТК, АСУ ТП, АСУП, этих «островков автоматизации»оказывается недостаточно для решения задач управления производ-ством. Это связано с тем, что отдельные автоматизированные участкипроизводства, обладают собственной логикой работы и оперируютсобственным набором данных. Такое разделение информационногопространства производства продукции не позволяет эффективноиспользовать результаты «островков автоматизации» для управленияпроизводством в целом.

Рис. 9. Структурная схема ИКСУ

На рис. 9 показаны типовые каналы управления и наблюдения затехнологическим процессом автоматизированного участка производ-

Про

дукц

ияМ

атер

иалы

Техн

олог

ичес

кий

про

цесс

Сис

тем

ауп

равл

ения

Сис

тема

опе

рато

рско

гона

блю

дени

я

С 1

С 2

С 3

С 4

С 5

О 1

О 2

О 3

О 4

О 5

О 6

О 7

О 8

С исте м а д испе тче рскогоуправ лени я

КИ С (E R P )

44

ства. Фактически каналы управления и наблюдения в реальных техно-логических модулях представляют собой их различную комбинацию.

По своему функциональному назначению в системе управлениятехнологическим процессом можно выделить, по крайней мере, пятьканалов управления, которые осуществляют разные по характерувоздействия на технологическую систему.

Первый канал управления С1 (рис. 9) связан с осуществлением вГАП разнообразных дискретных операций: (например, включения-выключения приводов, зажима детали в патроне, фиксации поворотаинструментального магазина, смены инструмента и т.д.). Число подоб-ных операций в модуле может достигать нескольких сотен и управлениеими по соответствующей программе на уровне С1 осуществляется отспециального машинного контроллера (например, ПЛК FX фирмыMitsubishi или S7 фирмы Simens).

Канал С2 осуществляет управление движениями рабочих органовмодуля (шпинделя, суппортов, шлифовальной бабки и др., обеспечи-вающими, например, заданную в программе траекторию режущейкромки инструмента относительно детали в рабочем пространстве). Взависимости от геометрии изделия на этом уровне посредством приво-дов могут осуществляться несколько формообразующих линейныхи/или круговых перемещений рабочих органов (3–4 и более).

Третий канал воздействия на технологическую систему (С3)отвечает за автоматическую коррекцию формообразующих движенийрабочего центра. На этом уровне по результатам измерения обработан-ной детали или предварительно измеренных перемещений рабочихорганов вводятся дополнительные корректирующие воздействия сцелью обеспечения заданной точности обработки (например, доворотгайки механизма привода подач стола резьбообрабатывающего станкаот специального привода, коррекция геометрической программы обра-ботки и т.д.).

С4 и С5 каналы управления применяются с целью обеспечениякачества обработки. Канал С4 связан с активным контролем детали впроцессе обработки. По результатам измерений отклонений размеровдеталей вследствие износа инструмента, силовых и тепловых деформа-ций осуществляется подналадка (размерная поднастройка) РЦ. Подна-ладка осуществляется, например, посредством дополнительных воздей-ствий приводом микроперемещений.

Канал С5 соответствует уровню адаптивного управления, осу-ществляемого по результатам измерения сил, моментов, деформаций исвязанного с ними тока привода с целью изменения параметровпроцесса обработки (скорости резания, подачи, жесткости и др.).

45

Для формирования управлений (управляющих воздействий) могутиспользоваться специальные каналы наблюдения, подключаемые кмодулям ввода данных в машинный контроллер (например, ПЛК FXфирмы Mitsubishi или S7 фирмы Simens). Различают следующие уровнинаблюдения.

Уровень О1 соответствует обнаружению событий об исполнениитой или иной команды электроавтоматики модуля. Примером могутбыть сигналы «норм/авар», «вкл/выкл» На этом уровне формируютсяосведомительные сигналы, поступающие в систему управления длявыполнения следующей команды. Такие сигналы генерируются разно-образными концевыми выключателями, компараторами сигналов икодов и т.д. Число подобных устройств на уровне О1 может бытьдостаточно велико.

Уровень О2 соответствует уровню измерения линейных и/иликруговых перемещений рабочих органов модуля. Измерения перемеще-ний и их производных (скоростей, ускорений) осуществляют измери-тельными преобразователями (ИП) различной физической природы:электромагнитной (индукционные ИП), оптико-электронной (кодовые,растровые, штриховые, интерференционные ИП) и др. Число ИПперемещений на уровне О2 соответствует количеству управляемых вмодуле координат. В следящих приводах ИП включают в контурыобратных связей по перемещениям и их производным.

Уровень О3 соответствует диагностике состояния оборудования.В формировании управляющих воздействий может участвовать и

дополнительная измерительная информация, полученная вне технологи-ческого модуля, в частности, информация о параметрах детали до и/илипосле обработки, о состоянии самого модуля и его узлов и др. Возмож-ные составляющие наблюдателя, связанные с получением информациивне модуля, могут быть названы как уставки вышестоящих уровнейуправления производством, в частности, системой диспетчерскогоуправления.

Уровни О4–О6 контролируют состояние материального потока навходе технологического процесса, например, геометрические параметрызаготовки (О4) и инструмента (О6). Уровни О7–О8 контролируетсостояние энергетического процесса.

Число уровней наблюдения может существенно превышать числоуровней управления. Чем более ответственный и качественный техноло-гический процесс, тем больше уровней наблюдения требуется дляуправления процессом.

На начальном этапе проектирования ИКСУ необходимо выявитьсостав модулей машинного контроллера центра управления («островка

46

автоматизации») и перечень его сигналов (информации), доступных дляудаленной SCADA системы.

Обычно в качестве машинных контроллеров рабочих центров(ГАП, РТК, и др.) используются ПЛК FX фирмы Mitsubishi или S7фирмы Simens. Так машинные контроллеры FX2N представляют собойполнофункциональные ПЛК, включающие: процессор, источник пита-ния, встроенные защищенные каналы дискретного ввода и каналыдискретного вывода. В зависимости от исполнения, количество каналовввода-вывода базовых модулей составляет от 16 до 128-ми с возмож-ностью увеличения до 256-ти (за счет подключения модулей расши-рения).

Варианты исполнения базовых модулей:- по питанию: 100–240 В АС 50/60 Гц (FX2N–“M”-ES), 24 В DC

+/- 8 В (FX2N–“M”-DS);- по выходам: дискретные транзисторные (FX2N-“MT”) или

релейные (FX2N-“MR”).Наличие широкой гаммы модулей расширения и коммуникацион-

ных модулей позволяет успешно использовать FX2N в самых различ-ных задачах автоматизации, совмещая при этом низкую стоимостьмоноблочных контроллеров с гибкостью модульных систем.

В качестве модулей расширения контроллеров поставщикамипредлагается широкий набор многоканальных модулей: дискретноговвода-вывода (DIO, DI, AI, DO); аналогово-цифровых и цифро-аналоговых преобразователей; преобразователей сигналов термопар итермометров сопротивления; быстрого счета импульсов; одно- идвухосевых позиционирующих устройств; а также модулей контролятемпературы, реализующих ПИД-регулирование.

Коммуникационные модули реализуют интерфейсы RS-232/RS-422/RS-485/Ethernet для подключения к различным периферийнымустройствам, компьютерам и системным контроллерам.

Процедура монтажа базовых модулей и модулей расширениямаксимально проста. Для всех модулей предусмотрено крепление наDIN рейку или на вертикальную поверхность с помощью винтовогокрепления. Подключение контроллера к внешним устройствам осу-ществляется через клеммные панели с винтовым зажимом.

ПЛК серии FX2N оснащены процессорами RISC-архитектуры, чтопозволяет их успешно использовать в тех задачах автоматизации, гденеобходима надежная параллельная обработка нескольких алгоритмовсо строго детерминированным временем реакции. Быстродействие ис-пользуемых процессоров – 0,08 микросекунд на логическую инструк-цию. Удобство программирования FX2N обеспечивается за счет

47

использования готового программного обеспечения Mitsubishi Electric –MELSOFT, поддерживающего унифицированные языки программиро-вания стандарта IEC 1131.3. Для повышения эффективности програм-мирования сложных процессов в распоряжении пользователя находитсянабор из 125-ти готовых инструкций, таких, как: счетчики; таймеры;часы реального времени; ПИД-регулятор, с автоматической настройкойпараметров. ПЛК данной серии имеют встроенный сопроцессор сарифметикой плавающей точки, тригонометрическими функциями ифункцией квадратного корня. Питаемая от батареи внутренняя памятьможет хранить до 8000 программных шагов с расширением до 16000.Контроллеры конфигурируются как локальные станции в сетяхMITSUBISHI и как slave-станции в открытых сетях (Profibus/DP). Сними совместимы, контроллеры MELSEC серий FX1S/FX1N/FX2N,которые поддерживают объединение в многоточечную сеть, а такжесеть с конфигурацией точка-точка.

Программируемые контроллеры S7-300 включают в свой состав:• модуль центрального процессора (CPU). В зависимости от

степени сложности решаемых задач в программируемом контроллеремогут использоваться различные типы центральных процессоров;

• сигнальные модули (SM), предназначенные для ввода и выводадискретных и аналоговых сигналов;

• коммуникационные процессоры (CP) для организации обменаданными через Industrial Ethernet, PROFIBUS, AS-Interface и PtP интер-фейс;

• функциональные модули (FM): интеллектуальные модули длярешения задач скоростного счета, позиционирования, автоматическогорегулирования и других;

• интерфейсные модули (IM) для подключения стоек расширенияк базовому блоку контроллера;

• блоки питания (PS) для питания контроллера от сети перемен-ного или постоянного тока.

Центральные процессоры S7-300 представляются линейкоймоделей различной вычислительной мощности: CPU 312/ CPU 314/ CPU315-2DP/ CPU 317-2DP. Все CPU отличаются увеличенными объемамирабочей памяти и повышенным быстродействием, работают без буфер-ной батареи, используют в качестве загружаемой памяти микрокартупамяти (MMC-3В NFlash) емкостью до 8 Мбайт, способны поддержи-вать большое количество активных коммуникационных соединений.Кроме того, MMC используется для сохранения данных при перебоях впитании CPU, хранения архива проекта, включая символьную таблицу икомментарии, а также для архивирования промежуточных данных.

48

Рис.10. Структурная схема соединения модулей управления рабочегоцентра

Отличительной чертой CPU S7-300 является наличие встроенныхвходов и выходов, а также набора встроенных в операционную системутехнологических функций. Количество и вид встроенных входов ивыходов зависит от типа конкретного центрального процессора. Всевстроенные дискретные входы универсальны. Они могут использо-ваться для ввода входных дискретных сигналов или для выполнениявстроенных функций. Часть дискретных выходов может работать вимпульсном режиме.

Набор встроенных функций также зависит от типа конкретногоCPU. В наиболее мощных CPU обеспечивается возможность использо-вания всех дискретных входов в качестве входов аппаратных преры-ваний, поддерживаются функции скоростного счета, измерения частотыили длительности периода, ПИД-регулирования, позиционирования поодной оси, перевода части дискретных выходов в импульсный режим.

Коммуникационные модули реализуют интерфейсы RS-232/RS-422/RS-485/Ethernet для подключения к различным периферийнымустройствам, компьютерам и системным контроллерам.

Система команд центральных процессоров включает в свой составболее 350 инструкций и позволяет выполнять:

· логические операции, операции сдвига, вращения, дополнения,операции сравнения, преобразования типов данных, операции стаймерами и счетчиками;

· арифметические операции с фиксированной и плавающей точ-кой, извлечение квадратного корня, логарифмические операции,тригонометрические функции, операции со скобками;

· операции загрузки, сохранения и перемещения данных, опера-ции переходов, вызова блоков, и другие операции.

Контроллер

S7-200Отдатчик

S7-300Пульт

S7-200Приемник

Е01Позицион двигатель

Е03Тяга

Е05Загрузчик

18R

E04Загрузчик

12R

Загрузчик18R

Загрузчик12R

Контроллер

Profibus

49

Для программирования и конфигурирования контроллеровSIMATIC S7-300 могут использоваться пакеты STEP 7 или STEP 7 Lite.

Пакет STEP 7 Lite может применяться для программирования иконфигурирования контроллеров S7-300. Схема взаимодействия моду-лей S7-300 показана на рис.10.

Результатом разработки этого раздела проекта должно бытьтекстовое описание технологического процесса (ГАП) с привязкой его кчертежам технологических схем. В этом разделе необходимо указатьописание параметров, точек их сбора/управления, единицы измерения,рабочий диапазон каждой физической величины..

5. ОПИСАНИЕ ПРОИЗВОДСТВЕННОГО ПРОЦЕССАКАК ОБЪЕКТА АВТОМАТИЗИРОВАННОГО УПРАВЛЕНИЯ

Описание производственного процесса в целом может бытьпредставлено в виде карты (функциональных моделей) основныхбизнес-процессов (БП). При описании отдельного процесса использует-ся спецификация БП. При описании обычно строится функциональнаямодель "как есть" (as-is), которая характеризует положение дел намомент обследования. Затем эта модель уточняется до описания «какдолжно быть» (as-to-be). Функциональная модель бизнес-процессовпредставляет собой многоуровневую систему взаимосвязанных диа-грамм, содержащую полное описание процессов жизненного циклапроизводства продукции, с выделением узлов действий, входов, выхо-дов, управлений (условий) и требуемых механизмов (ресурсов). Каждыйузел (обозначается прямоугольником) характеризует действие (процесс,работу, функцию, операцию по переработке информационных илиматериальных ресурсов) (рис. 11).

Рис.11. IDEF0 узел функциональной модели

ПланированиеПП и ПЗ 1.1

C

I O

MВладелец процесса

Регламент

Выход процесса 1.1Входы процесса

50

Вход I (Input) представляет собой то, что перерабатывается про-цессом, а выход O (output) результат переработки обозначаются стрел-ками слева и справа соответственно. Управлением C (control) служитинформация, необходимая для выполнения процесса (стрелка сверху).Механизм M (Mechanism) обеспечивает выполнение (реализацию)процесса с использованием его оборудования, персонала и т.д. (стрелкаснизу). Построение и вид функциональной модели регламентируетсястандартом Р50.1.028-2001 [7]. Информационные технологииподдержки жизненного цикла изделия. Методология функциональногомоделиро-вания, а также ГОСТ Р ИСО 10303-203. Системыавтоматизации производства и их интеграция.

Деятельность на предприятии обычно задается планами производ-ства (составляемыми на уровне бизнес-систем логистики), которыезатем спускаются на производство, где по ним составляются детальныеграфики, содержащие рабочие производственные задания, действия исобытия, возникающие при их выполнении [11, 14]. Часть информации,посту-пающей на следующий нижний уровень, определяется заданиямии требованиями по выполнению технологических процессов. Данные осостоянии оборудования и технологических процессов поступают вмодуль контроля и анализа эффективности производства.

Выбор состава прикладных функций ИКСУ. Стандартами MES иS95 установлены 8 базовых бизнес-процесса (рис.12).

Из перечня задач, которые должны решаться в рамках выполненияэтих базовых бизнес-процессов могут быть выделены те, которые долж-ны быть решены системой ИКСУ с использованием АРМ различногоназначения.

51

Рис. 12. Карта бизнес-процессов управления производством(стандарты MES, S95)

АРМ SCADA мастера в общем случае должен решать следующиезадачи.

· Диагностирование состояния технологического оборудования.· Управление оборудованием через посредство экранных форм

(управление посредством экранной формы основным и вспомо-гательным оборудованием в режимах пуска, нормальнойэксплуатации, планового останова и в аварийных ситуациях).

· Подключение справочников технических условий производства.· Подключение и визуализация заявок на производство продук-

ции. Управление подготовкой линии под загрузку· Контроль над процессом автоматического изготовления (опера-

тор должен иметь возможность выдавать директивы типа«ПУСК РЦ», «ОСТАНОВ РЦ», а система при этом должнапроверять корректность этих команд).

· Архивирование технологических и расчетных параметров, собы-тий и действий операторов.

Диспетчеризациязаказов

Отслеживание данныхо продукции

Управление процессом

Анализ показателей

Назначение ресурсов,актуализация

Управление качеством

Управлениеперсоналом

Сбор данных

ПроизводственныепоказателиДанные о продукции Возможности

производстваРасписание

производства

Технологический уровень

52

· Представление оперативной информации о выполнении смен-ных заданий.

· Контроль действий оперативного и обслуживающего персонала.· Подготовку отчетов о фактическом использовании оборудо-

вания (первичная отчетность).

АРМ SCADA диспетчеризации производства должно решатьследующие задачи.

● Отслеживание выполнения операций. Мониторинг выполнениятехнологических требований.

· Отслеживание выполнения заказов, объемов, партий. Просмотрпротоколов нарушений.

· Контроль в реальном времени выполнения работ в соответствиис планом.

· Анализ производительности.· Формирование и печать отчетной документации на основании

данных, собираемых технологическим комплексом (сводныйсменный отчет о работе завода (цеха, участка) с обобщеннымиданными о работе завода, цеха, участка за смену, о почасовойвыработке продукции за смену, от начала декады, от началамесяца).

· Контроль состояния и распределения ресурсов.· Отслеживание занятости оборудования.

АРМ технолога должно выполнять следующие функции.1. Управление качеством продукции:

· представление данных измерений о качестве продукции, в томчисле и в режиме реального времени, собранных с технологи-ческих линий;

· мониторинг информации о ходе технологического процесса(данные по качеству продукции, пуск/останов, допусковый конт-роль выхода значений за предупредительные и аварийныедиапазоны;

· отслеживание предупредительной и аварийной сигнализации;· оповещение оператора об аварийных, нештатных и штатных

событиях, происходящих в системе – пуск/останов принуди-тельно;

· предложение действий по исправлению ситуации на основеанализа корреляционных зависимостей и статистических данныхпричинно-следственных связей контролируемых событий.

2. Контроль состояния и распределения ресурсов:

53

· отслеживание занятости оборудования. Отображение состояниятехнологического оборудования и всего комплекса аппаратныхсредств ПТК;

· коррекция настроечных параметров задач (параметров настрой-ки автоматических регуляторов, уставок аналоговых параметрови др.) в режиме реального времени.

3. Сбор и хранение данных:· мониторинг справочников по ТУ и ТП. Ручной ввод информа-

ции.4. Отслеживание истории продукта:

· представление информации о том, где и в каком порядке веласьработа с данной продукцией (отчет о персонале, компонентыпродукции, партия, серийный номер, текущие условия производ-ства, несоответствия установленным нормам).

АРМ диспетчера по обслуживанию оборудования должно обес-печивать:

· отображение состояния технологического оборудования и всегокомплекса аппаратных средств ТП. Отображение графикаремонтов. Формирование заданий на ремонт; Контроль вреальном времени выполнения ремонтных работ в соответствиис планом. Контроль испытаний оборудования после ремонта;

· отслеживание аварийных ситуаций в технологическом процессе.Формирование на ремонт;

· отслеживание наработки оборудования.

АРМ менеджера/ руководителя должно выполнять следующиефункции:

· отслеживание графика изготовления продукции по каждомуконтракту;

· контроль номенклатуры и объемов полуфабрикатной продукциив незавершенном производстве;

· контроль планирования и отслеживание выполнения планов попроизводству;

· отслеживание решений оперативного планирования.

54

Рис. 13. IDEF 0 функциональная модель бизнес-процесса № 1.1

При проектировании этот раздел рекомендуется завершитьразработкой IDEF0 диаграммы.

На модели необходимо конкретизировать название БП и добавитьмодель декомпозиции этого БП, исходя из ее функциональности (см.перечень решаемых задач).

6. РАЗРАБОТКА ПЕРЕЧНЯ (СПЕЦИФИКАЦИИ)ВХОДНЫХ И ВЫХОДНЫХ СИГНАЛОВ,

ДОСТУПНЫХ ДЛЯ ИХ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ В ИКСУ(ТАБЛИЦЫ ВХОД–ВЫХОДНЫХ СИГНАЛОВ)

Согласно определению, приведенному в Единой системе кон-структорской документации (ЕСКД), спецификация – документ, опреде-ляющий состав сборочной единицы, комплекса, комплекта. В специфи-кации содержится подробное перечисление узлов и деталей какого-либоизделия, конструкции, установки, и т. п., входящих в состав сборочногоили монтажного чертежа. Для ИКСУ важным является перечислениепреобразователей (ПИП, ВИП) каналов сбора данных и управлениятехнологическим оборудованием.

Перечень входных/выходных сигналов АСУ ТП, а также переченьинформации, доступной на уровне управления производственным про-цессом, следует свести в отдельные таблицы. Этот перечень необходим,

ПланированиеПП и ПЗ 1.1

Бизнес-процесс 1.1

Анализпроцесса 1.1

ВыполнениеК и ПД по

процессу 1.1

Выход процесса 1.1

ПП, ПЭ процесса1.1

Изменениеперсонала

Изменениерегламентов

Изменениеинфраструктуры

Инфраструктура ПодразделениеВладелец процесса

Владелец процессаВладелец процесса

Входы процесса

Плановые ПП иПЭпроцесса

Данные дляанализа

Корректировкапланов

Регламент

55

прежде всего, для расчетов числа вход-выходных каналов SCADAсистемы. Такие расчеты определяют объемы лицензионных соглашенийпри приобретении ППП SCADA.

Рекомендуется все вход-выходные сигналы АСУ ТП свести в таб-лицу, пример которой (табл. 1) приведен ниже. Все эти данные можнополучить либо путем технологического аудита, либо изсопроводительной доку-ментации на рабочие центры.

Таблица 1. Перечень входных/выходных сигналов

Объект Наименование параметра Кол-во

Первичныйпреобраз-тель

Частотаопроса

Диапазонизменения

Линия ВКЛ/ВЫКЛ 1 DО событие 0/110 ВРеле авар_стопа 1 DО событие 0/110 ВСигнал сброса (Reset) 1 reset 0/20 В

ВолочильныйстанLSA - 450/13(Щит№1.1 сEthernet-Switch)

Cчетчик импульсов энкодера Counter

0,4-100s Разреш.(0,04-10m)Число(0–216)

Линия ВКЛ 1 Линейныйдетектор

событие 0/220 В

Реле авар_стопа 1 Реле Аваробщ.

событие 0/110 В

Событие (Счетчик) Счетчик событие 0/1Строка подтверждения№№ катушек 1 Ключ ПО событие 0/1

Метраж (текущ) 1 AО задание Разреш.0,04–10 m

Метраж (общ) (до 100км) 1 Датчик длинызадание Разреш0,04–10 m

Скорость (текущ) AО 0,4-100s Число(0–216)

Диаметр 1 AО 0,4-100s Число(0–216)

Отклонение параметраизмерения (дейст/норм) Контр расчет задание Число

(0–216)

Средн. матем (овальн/диаметр) Контр расчет задание Число(0–216)

Стат макс/мин (овальн/диамет) Контр расчет задание Число(0–216)

Размах Контр расчет задание Число(0–216)

Выход за предел допуска(овал/диаметр) Контр расчет задание Число

(0–216)

ВолочильныйстанTFS-8T(SIKORA)S7-300(Щит сEthernet № 4)

Номер периода (время)

56

В таблице 1 в колонке [Первичный преобразователь] рекомен-дуется указывать тип датчика (например, датчик длины, перемещения,скорости и т.п.) или тип сигнала датчика – например, дискретный,аналоговый, цифровой (DO, AO, DO). В колонке [Диапазон измерения]следует доопределить эти сигналы минимальным и максимальнымзначением, например, 0/1, 0/220 В – для дискретного сигнала , 4–20 мА– для аналогового, 0-–216 – для 16-разрядного цифрового сигнала.

Представление спецификации АСУ ПП базируется на следующихпринципах:

· функциональность процесса должна быть отделена от задач иособенностей его реализации;

· спецификация должна включать в себя особенности производ-ственного процесса, устанавливаемых заданием на КП;

· спецификация должна быть легко читаемой и понятной для всехее пользователей;

· спецификация должна быть терпимой к неполноте и возможностиее дополнения.Спецификация бизнес-процесса должна включать в себя:

· общие сведения и ответственность руководителей процессов;· функции процессов;· результаты процессов и их потребители;· внешние поставщики и входы процесса;· согласование требований с поставщиками процессов;· виды деятельности в рамках процесса, управление и требуемые

ресурсы;· цели процесса и показатели их достижения;· мероприятия по улучшению процесса.

Пример спецификаций для процесса «Диагностирование РЦ 1.5.3»приведен в таблице 2 спецификаций.

Таблица 2 Спецификации БП

Содержание Характеристика

1 Наименование процесса Диагностирование РЦ«Экструзионная установка»

2 Индекс (№ БП) 1.5.33 Назначение Определение состояния РЦ

4 РезультатыСообщение на экране АРМ«Допустимое, предаварийное,аварийное»

57

5 Владелец Начальник цеха по ремонту

6 Участники 1.Инженер по ремонту2.Менеджер по качеству

7 Предшествующий процесс(ы) (№ БП) (1.5.2.) Мониторинг состояния8 Следующий процесс (ы) (1.5.4.)Планирование ремонта

9 Средства реализации 1.Производственное оборудование.2.ПО SCADA

10 Вход Сигналы датчиков контролясостояния

11 Выход Сообщение на экране АРМ12 Регламентирующие документы Рабочая документация на РЦ

13 Критерии оценки БП Критерии оценки состоянияпо ГОСТ Р 50779

14 Записи в ходе процесса Тенды сигналов измерения

15 Применяемые внутренниерегламенты

ДП «Ремонт технологическогооборудования»

Такие спецификации позволяют формализовать описание бизнес-процесса. В приведенной таблице содержится вся необходимая инфор-мация для представления модели БП как для IDEF0, так и для EPC,UML нотаций.

7. ВЫБОР ПРОГРАММНЫХ СРЕДСТВ АСУ,ПОДДЕРЖИВАЮЩИХ ПРОФИЛЬ АРХИТЕКТУРЫ ИКСУ

Вопрос о том, какие покупные программно-технические средстваследует использовать для системной интеграции приложений, являетсяцентральным при проектировании таких систем [11]. По оценке специа-листов за счет рационального использования средств интеграции можносократить расходы предприятия на создание и эксплуатацию приклад-ного программного обеспечения уровня предприятия примерно на однутреть. Под компонентами (средствами) системной интеграции понима-ется комбинация процессов, программных средств, стандартов и аппа-ратуры, благодаря которой обеспечивается «бесшовная» интеграцияприложений в пределах одной или нескольких уровней предприятия,позволяющая им функционировать как единой системе. Средствасистемной интеграции, как правило, рассматриваются применительно кавтоматизации предприятия в целом.

1. В соответствии с рекомендованным для ИКСУ профилем (S-88)для решения задач проектирования АСУ batch-процессами на рынкепредлагаются, в частности, фирмами Rockwell Software и Siemens,

58

специальные программные средства проектирования, например,RSBizWare™ Batch, Simatic Batch и PCS 7 (2008 г.).

Они позволяют:· разрабатывать эффективные системы управления групповой обра-

ботки продукции, обеспечивая производственную гибкость, незави-симость технологических условий (рецептуры) от оборудования,реализацию независящего от партий координационного управления иорганизованный методологический подход к управлению;

· создавать рецепты и управлять ими, а также автоматически выпол-нять их;

· снизить затраты времени на проверку и ввод в эксплуатацию;· конфигурировать физические и процедурные модели;· интегрироваться с широким спектром дополнительных программных

приложений;· собирать подробные данные в электронном виде о процессе группо-

вой обработки для подготовки подробных отчетов;· интегрироваться и обмениваться информацией о партиях и рецептах

с корпоративными информационными системами;· моделировать весь технологический процесс групповой обработки.

В состав, в частности, RSBizWare Batch, входят шесть прило-жений, а именно:• редактор Batch Equipment Editor, который позволяет графическиописывать реальное оборудование;• редактор Batch Recipe Editor, который позволяет графически опи-сывать процедуры, необходимые для создания главных рецептов (ТУ);• оболочка Batch View, которая представляет собой интерфейс опера-тора, взаимодействующий с сервером Batch Server;• сервер Batch Server, который выполняет рецепты и координируеткоммуникации между компонентами системы управления;• среда моделирования Batch Simulator, которая позволяет моделироватьи проверять рецепты (ТУ) применительно к конкретному оборудованиюбез связи с физическим процессом;• архиватор Batch Archiver (по выбору), который передает электронныеданные по процессу групповой обработки в любую SQL совместимуюбазу данных.Таким образом, RSBizWare Batch:

· поддерживает модульность систем автоматизации процессовобработки партий продукции в соответствии со стандартомS88.01, принятым Обществом контрольно-измерительных прибо-

59

ров, систем и автоматизации (Instrumentation, Systems, andAutomation Society – ISA).

· создает физическую модель при помощи графического интер-фейса редактора Equipment Editor;

· создает рецепты и иерархию процедурной модели при помощиредактора Batch Recipe Editor;

· управляет партиями и отслеживает технологический процесс припомощи Batch View;

· собирает и размещает производственную информацию в журналесвязанных с партиями событий Batch Event Journal;

· тестирует рецепты (ТУ) для различных производственных конфи-гураций при помощи Batch Simulator.В соответствии с методологией, изложенной в стандарте S-88,

программное обеспечение этого типа позволяет стандартизироватьиспользуемые технологические процедуры и ускоряет разработку ивнедрение процессов групповой обработки и продукции.

2. В соответствии с рекомендованным для ИКСУ профилем длярешения задач проектирования ISA-95, MES на рынке предлагаются, вчастности, фирмами SIEMENS A&D и Wonderware, соответственноSIMATIC IT и MES Plant Intelligence (Factelligence). MES-системаWonderware Factelligence на сегодня является наиболее востребованнойсистемой управления производством на российском рынке. С помощьюWonderware Factelligence на предприятии организуется прослеживае-мость материальных потоков, ведется партионный учет и электронныйдокументооборот, визуализируются технологические маршруты, реа-лизуется управление качеством продукции, анализируется работаоборудования и персонала, что обеспечивает прозрачность и управ-ляемость производственного процесса.

MES-система Wonderware Factelligence может быть внедрена напредприятии и как отдельная информационная система, и как частьсуществующей IT-инфраструктуры. Мощные механизмы интеграциипозволяют объединить Wonderware Factelligence с одной стороны ссистемами базовой автоматизации (АСУ ТП), а с другой стороны – ссистемами управления ресурсами предприятия (ERP), а также ссистемами ведения конструкторской документации (CAD).

SIMATIC IT – это продукт для построения MES-систем отSIEMENS, позволяющий выполнять комплексное моделированиепроизводственных процессов, точно определять их возможности иполучать данные с ERP уровня и уровня производства в масштабереального времени. Это позволяет выполнять более эффективное

60

управление производством и повышать его гибкость. ПрименениеSIMATIC IT обеспечивает возможность получения целого ряда преи-муществ:

· моделированию могут быть подвергнуты даже сложные деловыепроцессы и структуры производства, которые впоследствии могутбыть объединены наиболее эффективным способом;

· процессы моделирования остаются полностью прозрачными ипонятными и, самое главное, независимыми от функционирова-ния реальных систем управления;

· моделирование может выполняться в любой точке предприятия:все процессы могут быть стандартизованы и наиболее удачныеметоды управления могут использоваться в масштабах всегопредприятия.

SIMATIC IT обеспечивает плавный переход от результатов модели-рования к выполнению принятых решений и управлению новымиприложениями MES. Это снижает время выполнения проектных работ,предотвращает возможность возникновения ошибок, позволяет доку-ментировать все шаги и обеспечивает защиту имеющихся ноу-хау.Таким образом, SIMATIC IT обеспечивает снижение затрат на построе-ние MES уровня и защиту сделанных инвестиций.

Российский вариант подобной системы – это программный пакетФобос, который решает задачи оперативного управления производствомдискретного типа, преимущественно позаказного, мелкосерийного илидаже единичного.

3. В соответствии с рекомендованным для ИКСУ профилем длярешения задач проектирования SCADA систем на рынке предлагаютсябольшое число программных пакетов: Trace Mode, Genesys, Infinity Suite(Lite). В частности, в качестве InfinitySuite 1.0 ООО «ЭлеСи» (г. Томск)предлагается инструментальный пакет, ориентированный на разработкуSCADA и MES решений для крупных предприятий с непрерывнымциклом производства.Infinity Suite обеспечивает:

· сбор, обработку, хранение производственных и технологическихданных;

· объединение производственных и технологических данных вединое информационное пространство;

· оперативное планирование, распределение и контроль состоянияресурсов в режиме реального времени;

· диспетчеризацию производственных и технологических процес-сов;

61

· формирование отчетности, сводок, балансов.Infinity Suite включает в себя InfinitySCADA – средство для созда-

ния автоматизированных систем управления технологическими про-цессами и InfinityFactory – средство для создания автоматизированныхсистем управления производственными процессами.

4. Вариантов технической реализации и конкретных средств PLM,предлагаемых различными производителями в рамках системной интег-рации, достаточно много. Однако в целом облик программно- техниче-ской структуры системной интеграции практически приближается кнекоторой унифицированной форме в виде продуктов ведущих мировыхсистемных интеграторов для промышленных предприятий: PLM(Dassault Systems), PI System (OSI Software), Total Plant Solution(Honeywell), FactorySuite (Wonderware), Enterprise Technology Solution(Yokogawa), Mizushima Plant (Mitsubishi Chemical Co), Plant InformationManagement System (JGC Corporation)).

Одним из широко распространенных программных пакетов PLM-решений является пакет, базирующийся на программных продуктахфирмы Dassault Systemes. Пакет включает систему 3D проектированияCATIA, подсистемы ENOVIA SmarTeam и DELMIA, реализующиетехнологию коллективного управления данными PDM (Product DataManagement).

Проектирование в системе CATIA V5 основано на применениистандартизированного формата данных и инструментов. В процессепроектирования создается многопараметрическая управляемая базаданных 3D модели-шаблона. В нее входят все геометрическиепараметры, теоретические расчеты, рекомендации, стандарты, базыданных деталей и комплектующих и т.д.

Подсистема ENOVIA SmarTeam предназначена для управления иобмена информацией о производимых на предприятии продуктах втечение всего их жизненного цикла. Этот набор решений имеет общуюархитектуру и возможности. Инженеры могут использовать ENOVIASmarTeam для управления данными САПР и их изменениями.Специалисты по маркетингу могут использовать его для получениядоступа к чертежам и спецификациям, для оформления новых предло-жений, снабженцы – для доступа к информации о материалах ипокупных изделиях. Специалисты по производству могут просматри-вать конструкторские решения и использовать ENOVIA SmarTeam дляуправления оснасткой, для передачи спецификаций и прочих данных вERP, а также для координации конструкторских и производственныхпроцессов. Многие сотрудники в организации могут использоватьENOVIA SmarTeam для поиска и управления любыми типами

62

относящейся к продукту информации в рамках своих бизнес-процессов.ENOVIA SmarTeam позволяет в реальном масштабе времени задатьспособ механической обработки и определить необходимый наборинструментов.

Пакет DELMIA PLM for Manufacturing содержит богатый наборинструментов для цифрового описания, прогнозирования и моделиро-вания производственных процессов изготовления изделий и необходи-мых для этого ресурсов. По сути, DELMIA – это цифровая виртуальнаяфабрика, позволяющая исследовать и оптимизировать процессыизготовления и обслуживания изделий до начала их реальногопроизводства в металле. Будучи объединенной с системой CATIA,DELMIA позволяет моделировать процессы изготовления изделияпараллельно с его проектированием, оперативно учитывая возникаю-щие конструктивные изменения, множественность версий и исполненийизделия, ограничения, налагаемые оборудованием и человеческимфактором. Это позволяет существенно сокращать сроки разработки изапуска в производство новых изделий, а также повышать их качество итехнологичность. Программы этой группы позволяют специалистам,непосредственно связанным с созданием изделия, использовать всюполноту информации об изделии, процессах и ресурсах для решениятекущих задач на своих рабочих местах и получения результатов впростом и наглядном виде. В частности, имеются средства для созданиярабочих инструкций в 3D-виде, визуализации различных процессов,поиска нужной совокупности данных, интеграции с другими приложе-ниями (ERP, MES и др.).

8. РАЗРАБОТКА СТРУКТУРНОЙ СХЕМЫ ИКСУ

Структурные схемы ИКСУ, описывают основные функциональ-ные части управления производственным и технологическим процес-сами. Эти схемы разрабатываются при проектировании на стадиях,предшествующих разработке схем других типов, и ими пользуются дляпонимания проектных решений и (или) требований всеми участникамипроекта. Структурные схемы ИКСУ могут нести различную смысловуюнагрузку: описывать взаимодействие служб управления (рис. 17),описывать структуру межмодульных связей, например, в ПЛКмашинного контроллера (рис.10).

63

Графическое построение схемы должно давать наиболее нагляд-ное представление о последовательности взаимодействия функциональ-ных частей в изделии.

На линиях взаимосвязей рекомендуется стрелками обозначатьнаправление хода процессов, происходящих в изделии.

На схеме должны быть указаны наименования каждой функцио-нальной части изделия, если для ее обозначения применен прямо-угольник.

На схеме допускается указывать тип элемента (устройства) и(или)обозначение документа (основной конструкторский документ, государ-ственный стандарт, технические условия), на основании которого этотэлемент (устройство) применен.

При изображении функциональных частей в виде прямоуголь-ников наименования, типы и обозначения рекомендуется вписыватьвнутрь прямоугольников.

При большом количестве функциональных частей допускаетсявзамен наименований, типов и обозначений проставлять порядковыеномера справа от изображения или над ним, как правило, сверху вниз внаправлении слева направо. В этом случае наименования, типы иобозначения указывают в таблице, помещаемой на поле схемы.

Допускается помещать на схеме поясняющие надписи, диаграммыили таблицы, определяющие последовательность процессов во времени,а также указывать параметры в характерных точках (величины токов,напряжений, формы и величины импульсов, математические зависи-мости и т. п.).

При проектировании ИКСУ должны быть разработаны следующиеструктурные схемы:

· схему конфигурации ГАП, показанную выше на рисунке 2;· схему взаимодействия подсистем (АРМ) ИКСУ (рис.5)· схему ИКСУ (рис. 6);· схему взаимодействия диспетчерского и обслуживающего персо-

нала в ИКСУ (рис. 16);· схему ЛВС ИКСУ (рис. 17);· функциональную схему автоматизации, показанную в разделе 9

(рис.20)· схему информационных потоков, показанную в разделе 15 (рис.

36).· Схемы автоматизации разрабатывают в целом на технологиче-

скую (инженерную) систему или ее часть –технологическуюлинию, блок оборудования, установку или агрегат.

64

На схеме (рис. 5) приведена структура взаимодействия двухподсистем ИКСУ – АСУ ТП и АСУ ПП. Их взаимодействиеосуществляется через БД обмена этих подсистем. АРМ(ы) диспетчеровиспользуют как информацию технологического (оперативного) назна-чения, так и справочные данные (плановые задания, логистическиеуказания) баз данных предприятия.

На структурной схеме ИКСУ (рис. 6) показана структуракомпьютерного оборудования, осуществляющего сбор и передачу дан-ных на уровень серверов ИКСУ. На нижнем уровне осуществляетсясбор сигналов (информации). Системный контроллер (контроллер сбораданных) осуществляет преобразование сигналов в информационныйпоток данных, который по каналам коммуникации поступает на уровеньдиспетчерского управления.

Схема информационных потоков – графический способ описанияпроцессов движения и преобразования информации в системеуправления.Схему автоматизации допускается совмещать со схемойсоедине-ний (монтажной), выполняемой в составе основного комплектапо ГОСТ 21.401, или со схемами инженерных систем. Допускается еевыполнять в виде функциональной схемы автоматизации.

На функциональной схеме автоматизации изображают:· технологическое и инженерное оборудование и коммуникации

(трубопроводы, газоходы, воздуховоды) автоматизируемогообъекта (далее – технологическое оборудование);

· технические средства автоматизации или контуры контроля,регулирования и управления (совокупность отдельных функцио-нально связанных приборов, выполняющих определенную задачупо контролю, регулированию, сигнализации, управлению);

· линии связи между отдельными техническими средствами автома-тизации или контурами (при необходимости).Технологическое оборудование на схемах автоматизации рекомен-

дуется изображать в соответствии со схемой соединений, принятой восновном комплекте или схемами инженерных систем. При этомдопускается упрощать изображения технологического оборудования, непоказывая на схеме оборудование, коммуникации и их элементы,которые не оснащаются техническими средствами автоматизации и невлияют на работу систем автоматизации.

При отсутствии в основном комплекте схемы соединений техно-логическое оборудование изображают с учетом требований следующихстандартов:

65

- оборудование – по ГОСТ 2.780, ГОСТ 2.782, ГОСТ 2.788, ГОСТ2.789, ГОСТ 2.790, ГОСТ 2.791, ГОСТ 2.792, ГОСТ 2.793, ГОСТ 2.794,ГОСТ 2.795;

- коммуникации в зависимости от транспортируемых сред – всоответствии с приложением 3 ГОСТ 14202;

- трубопроводную запорную арматуру, используемую в системахавтоматизации (не регулирующую) – по ГОСТ 2.785.

Условные графические и буквенные обозначения приборов иконтуров контроля и управления принимают по ГОСТ 21.404. Бук-венные обозначения измеряемых величин и функциональных признаковприборов указывают в верхней части окружности (овала).

Линии связи между приборами и контурами контроля и управ-ления изображают на схемах сплошной тонкой линией независимо отвида сигналов и количества проводов и труб.

Приборы, встраиваемые в технологические коммуникации, пока-зывают в разрыве линий изображения коммуникаций в соответствии срис. 14, устанавливаемые на технологическом оборудовании (спомощью закладных устройств) показывают рядом – в соответствии срис. 15.

Рис. 14

Рис. 15

Заголовки, предназначенные для изображения щитов и пультов,принимают в соответствии с наименованиями, принятыми в эскизныхчертежах общих видов, для комплексов технических средств - в соот-ветствии с их записью в спецификации оборудования.

На схеме автоматизации буквенно-цифровые обозначения прибо-ров указывают в нижней части окружности (овала) или с правойстороны от него, обозначения электроаппаратов – справа от их услов-ного графического обозначения. При этом обозначения техническихсредств присваивают по спецификации оборудования и составляют изцифрового обозначения соответствующего контура и буквенного

66

обозначения (прописными буквами русского алфавита) каждогоэлемента, входящего в контур (в зависимости от последовательностипрохождения сигнала).

При большом количестве приборов допускается применятьобозначения, в которых первый знак соответствует условному обозна-чению измеряемой величины, последующие знаки – порядковомуномеру контура в пределах измеряемой величины.

Электроаппараты, входящие в систему автоматизации (звонки,сирены, сигнальные лампы, табло, электродвигатели и др.) показываютна схеме графическими условными обозначениями по ГОСТ 2.722,ГОСТ 2.732, ГОСТ 2.741 и присваивают им буквенно-цифровыеобозначения по ГОСТ 2.710.

Линии связи допускается изображать с разрывом при большойпротяженности и/или при сложном их расположении. Места разрывовлиний связи нумеруют арабскими цифрами в порядке их расположенияв прямоугольнике с заголовком "Приборы местные".

Допускается пересечение линий связи с изображениями техно-логического оборудования. Пересечение линий связи с обозначениямиприборов не допускается.

На линиях связи указывают предельные (максимальные илиминимальные) рабочие значения измеряемых (регулируемых) величинпо ГОСТ 8.417 или в единицах шкалы выбираемого прибора. Дляобозначения разрежения (вакуума) ставят "минус". Для приборов,встраиваемых непосредственно в технологическое оборудование и неимеющих линий связи с другими приборами, предельные значениявеличин указывают рядом с обозначением приборов.

Технологическое оборудование допускается не изображать насхеме в случаях, когда точки контроля и управления в технологическихцехах немногочисленны (например, в рабочей документации подиспетчеризации). В этом случае в верхней части схемы вместоизображения технологического оборудования приводят таблицу, в гра-фах которой указывают наименование оборудования и коммуникаций.

Структурная схема ЛВС. Проектируемая ЛВС должна обслужи-вать задачи производственного и технологического управлений. Дляснижения потенциальных рисков, связанных с открытостью информа-ционного пространства ЛВС технологического управления, во многихотраслевых нормативных документах устанавливаются требования овыделении технологической сети в независимую подсеть, не связаннуюобщим трафиком с КИС. При выделении технологической сети ИКСУиз общего информационного пространства КИС следует учитыватьнеобходимость использования информации КИС на АРМ диспетчеров

67

АСУ ТП. Поэтому возможными решениями могут быть либоиспользование двух Ethernet-адаптеров, разделяющих на сервере ЛВСпредприятия на две подсети, (один адаптер должен «смотреть» всторону КИС, другой в сторону технологической сети), либо приме-нение виртуальной технологии (VLAN) выделения подсетей различногоназначения.

С появлением технологии коммутируемого VLAN Ethernet сталовозможным логическое сегментирование сети на множество выделяя-емых широковещательных доменов, что позволяет улучшить произво-дительность сети, уменьшить широковещательный трафик в каждом изсегментов, улучшить их администрирование (и, в частности, повыситьбезопасность технологического сегмента технологической ЛВС).

Технология VLAN делит общий домен широковещания ЛВСпредприятия на меньшие домены широковещания, ограничивая широ-ковещательный трафик в пределах одной группы пользователей. Приприменении VLAN возможны следующие варианты:

· построение порт - ориентированной VLAN;· построение VLAN с маркированными кадрами (IEEE 802.1Q);· построение VLAN на основе протоколов высокого уровня.

Рис. 16. ЛВС порт ориентированной VLAN

На рис. 16 показан пример реализации порта ориентированнойVLAN.

68

В этом примере два концентратора (Hub1 и Hub2), к которымподключены соответственно приложения АСУ ТП и корпоративныебизнес приложения, выделяются в отдельные сети за счет их подклю-

Служба технического обслуживаниятехнических средств АСУ ТП

Сменный мастерДежурный слесарь

КИП Дежурный персонал

Средства связи Средства связи

Ремонтная службаСменный мастер,дежурные слесари

Диспетчерский пункт управления ТП УПСВ

Диспетчер, операторМнемо-схема

ЩитКИП

Управляющийвычислительный комплекс

Средства связи

Пункт контроля, управления исбора данных с насосной внешней

перекачкиАппаратчик

Средства связи

Щитконтроля

Пультуправления

Пункт контроля, управления и сбораданных с отстойника нефти и

резервуаров нефти

АппаратчикСредства

связиЩит

контроляПульт

управления

Пункт контроля, управления исбора данных с устройств

очистки и резервуаров водыАппаратчик

Средства связи

Щитконтроля

Пультуправления

Пункт контроля, управления исбора данных с газосепаратора

АппаратчикСредства

связиЩит

контроляПульт

управления

Насосная внешнейперекачки Аппарат очистки водыАппарат обезвоживания нефти Газосепаратор

ДС

ДСРА ИА С ЗУ УСО ВТ УВВ УППР

8 9 11 12 13741 14 15 16 17 19 20

ДСРАИА С Д КА СУ РАИА С Д КА СУ РАИА С Д КА СУ ДСДСРАИА С Д КА СУ ДС

ДС

Рис. 17. Схема взаимодействия диспетчерского и обслуживающего персоналав ИКСУ

чения к портам коммутатора, специально настроенных для обслужи-вания выделенных сетей.

Схема взаимодействия диспетчерского и обслуживающегоперсонала в ИКСУ показана на рис. 17 [1].

На структурной схеме показаны:· технологические подразделения автоматизируемого объекта;· пункты контроля и управления (местные щиты, операторские и

диспетчерские пункты);· технологический (эксплуатационный) персонал и специализиро-

ванные службы, обеспечивающие оперативное управление инормальное функционирование технологического объекта;

· основные функции и технические средства (устройства), обеспе-чивающие их реализацию в каждом пункте контроля и управ-ления;

● взаимосвязь подразделений технологического объекта, пунктовконтроля и управления и технологического персонала между собой и свышестоящей системой управления.

69

9. РАЗРАБОТКА ФУНКЦИОНАЛЬНОЙ СХЕМЫАВТОМАТИЗАЦИИ

Функциональная схема автоматического (автоматизированного)контроля и управления предназначена для отображения основныхтехнических решений, принимаемых при проектировании системавтоматизации технологических процессов. На функциональной схемеизображаются системы автоматического контроля, регулирования,дистанционного управления, сигнализации, защиты и блокировок.Функциональная схема автоматического контроля и управлениясодержит упрощенное изображение технологической схемы автомати-зируемого процесса. Все элементы систем управления показываются ввиде условных изображений и объединяются в единую системулиниями функциональной связи.

В соответствии с ГОСТ 2.702-75 (2000) [1] на функциональнойсхеме изображают функциональные части изделия (элементы, устрой-ства и функциональные группы), участвующие в процессе, иллюстри-руемой схемой, и связи между этими частями.

Функциональные части и связи между ними на схеме изображаютв виде условных графических обозначений, установленных в стандартахЕдиной системы конструкторской документации. Отдельные функцио-нальные части допускается изображать в виде прямоугольников.

На схеме должны быть указаны:· для каждой функциональной группы – обозначение, присвоенное

ей на принципиальной схеме, и(или) ее наименование; если функ-циональная группа изображена в виде условного графическогообозначения, то ее наименование не указывают;

· для каждого устройства, изображенного в виде прямоугольника, –позиционное обозначение, присвоенное ему на принципиальнойсхеме, его наименование и тип и (или) обозначение документа(основной конструкторский документ, государственный стандарт,технические условия), на основании которого это устройствоприменено;

· для каждого устройства, изображенного в виде условного графи-ческого обозначения, – позиционное обозначение, присвоенноеему на принципиальной схеме, его тип и(или) обозначениедокумента;

· для каждого элемента – позиционное обозначение, присвоенноеему на принципиальной схеме, и(или) его тип.

70

На схеме рекомендуется указывать технические характеристикифункциональных частей (рядом с графическими обозначениями или насвободном поле схемы).

На схеме помещают поясняющие надписи, диаграммы или табли-цы, определяющие последовательность процессов во времени, а такжеуказывают параметры в характерных точках (величины токов, напря-жений, формы и величины импульсов, математические зависимости ит.д.).

В соответствии с ГОСТ 36-27-77 «Приборы и средства авто-матизации. Обозначения условные в схемах автоматизации техноло-гических процессов» устанавливаются обозначения измеряемыхвеличин, функциональные признаки приборов, линии связи, а такжеспособы и методика построения условных графических обозначенийприборов и средств автоматизации.

Схема построения кода условного обозначения прибора системавтоматизации показана на рис. 18.

Рис. 18. Схема построения кода условного обозначенияприбора систем автоматизации

Функциональные признаки, если несколько в одном приборе, топорядок расположения следующий: I, R, C, S, A (индикация, регистра-ция, управление, сигнализация, авария).

В нижней части окружности, наносится обозначение позиций(цифровые или буквенно-цифровые).

В схемах автоматизации широко используются обозначения раз-личных устройств, на основе стандартов ЕСКД. Некоторые примерыотдельных устройств приведены в таблицах 3 и 4.

Таблица 3. Графическое обозначение элементов автоматизации

71

Обозначение Наименование

Первичный измерительный преобразо-ватель (датчик); прибор, устанавливаемый поместу;

Прибор, устанавливаемый на щите, пульте

Исполнительный механизм. Общее обозна-чение

Регулирующий орган

Общее обозначение линии связи

Пересечение линий связи с соединениеми без него.

Условные обозначения измеряемых величин выполняются сле-дующими заглавными буквами латинского алфавита:

D – плотность;E – любая электрическая величина;F – расход;G – размер, положение, перемещение;H – ручное воздействие;K – время, временная программа;L – уровень;M – влажность;N – резерв (аппаратура управления электродвигателей);O – резерв;P – давление, вакуум;Q – качество (состав, концентрация и т.п.);R – радиоактивность;S – скорость, частота;T – температура;

72

U – несколько разнородных величин, измеряемых одним прибо-ром ;

V – вязкость;W – масса;X – нерекомендованная резервная буква.Функции выполняемые приборами:А – сигнализация;С – регулирование, управление;I – показание;R – регистрация;S – включение, отключение, переключение.Для уточнения значений измеряемой величины и указания верх-

него и нижнего пределов измеряемой величины также используютсяследующие обозначения:

D – разность, перепад;F – соотношение, доля, дробь;H – верхний предел измеряемой величины;I – автоматическое переключение;L – нижний предел измеряемой величины;Q – интегрирование, суммирование по времени.Для функциональных признаков приборов применяются следую-

щие обозначения:E – первичные преобразователи (термопары, термометры, сопро-

тивления и т.п.);T – приборы с дистанционной передачей показаний (маномет-

рические термометры);K – приборы со станциями управления (переключатель "автома-

тическое-ручное");Y – преобразователь сигналов и вычислительных устройств.Эти дополнительные обозначения вписываются в верхней части

окружности, на втором месте после буквы, обозначающей измеряемуювеличину. Например: ТЕ – термопара, термометр сопротивления; РТ –бесшкальный манометр с дистанционной передачей.

При обозначении преобразователей сигналов и вычислительныхустройств применяются следующие дополнительные буквенные обозна-чения и символы:

E, P, G – сигналы, соответственно, электрический, пневматиче-ский, гидравлический;

A, D – сигналы, соответственно, аналоговые и дискретные;

73

S , K, X, : , fn, – операции, соответственно, суммирования,умножения на постоянный коэффициент, умножения, деления, возве-дения сигнала в степень, извлечения корня.

Эти дополнительные буквенные обозначения указываются внеокружности, справа от нее.

Графическое обозначение элементов автоматизации приведено втаблице 5.

В функциональных схемах автоматизации, последовательностьбуквенных обозначений должно быть следующей:

· обозначение основной измеряемой величины;· обозначение, дополнительное (уточняющее основную)

измеряемую величину;· обозначение функционального признака прибора.

Таблица 4. Графические обозначение элементов схемавтоматизации

Наименованиe Обознaчениe

Двигатель асинхронный с короткозамкнутымротором

Селсин-датчик угла поворота и селсин-приемник

Трансформатор напряжения измерительный

Предохранитель плавкий, общее обозначение

Звонок электрический

Гудок

Резистор переменный

Конденсатор постоянный емкости

Конденсатор электролитический

Датчик измеряемой неэлектрической величины

74

Диод. Общее обозначение.Тиристор триодный, запираемый:а - по аноду; б - по катоду

Катушка электромеханического устройства (реле)

Контакт коммутационного устройство:а - замыкающий; б - размыкающий;в - переключающий

Выключатель кнопочный с контактами:а - замыкающий; б - размыкающим

Лампа накаливания осветительная и сигнальная

Таблица 5

Примеры условных обозначений приборов и средств автоматизации

Наименование и функции ОбознaчениеПервичный измерительный преобразователь дляизмерениятемпературы, установленной по месту.Например: термопара, термометр сопротивленияПрибор для измерения температуры показывающий,установленной по месту. Например: термометр ртутный,термометр манометрический.Прибор для измерения температуры показывающей,установленный на щите. Например: милли-вольтметр,потенциометр.Прибор для измерения температуры с автоматическимобегающим устройством, регистрирующий установленныйна щите. Например: многоточечный самопишущийпотенциометр, мост автоматический.Прибор для измерения температуры регистрирующий,регулирующий, установленный на щите. Например:самопишущий регулятор температуры.Регулятор температуры бесшкальный, установленный поместу. Например: дилатометрический регулятортемпературы.

75

Комплект для измерения температуры регистрирующий,регулирующий, снабженный станцией управления,установленный на щите

Регулятор давления, работающий без использованияпостроенного источника энергии (прямого действия)

Прибор для измерения давления (разряжения)показывающий, установленный по месту – показывающийманометр, тягомер, напоромер и т.п.Прибор для измерения давления (разряжения)регистрирующий, установленный на щите – самопишущийманометр или другой вторичный прибор регистрациидавления

Прибор для измерения любой электрической величиныпоказывающий, установленный по месту

Прибор для измерения уровня бесшкальный, сдистанционной передачей показаний, установленный поместуПрибор для измерения плотности раствора бесшкальный, сдистанционный передачей показаний, установленный поместу

Прибор для измерения влажности регистрирующий(вторичный), установленный на щите

Прибор для измерения скорости вращения приводарегистрирующий, установленный по месту. Например:тахогенератор.

Прибор для измерения вязкости раствора показывающий,установленный на щите

Пусковая аппаратура для управления электродвигателем

Аппаратура ручного дистанционного управления,снабженная устройством сигнализации, установленная нащите

76

Первичный измерительный преобразователь для измерениякачества продукта, установленный по месту. Например:датчик pH-метра.

Прибор для измерения радиоактивности, показы-вающий,контактным устройством, установленный по месту.Например: прибор для показания и сигнализациипредельно-допустимых концентраций a и b –лучей.

Прибор для измерения вязкости раствора, показывающий,установленный по месту. Например: вискозиметрпоказывающий.Преобразователь сигнала, установленный на щите. Входнойсигнал электрический, выходной – тоже электрический.Например: преобразования термоЭДС термопары в сигналпостоянного тока.Преобразователь сигнала, установленный по месту.Входной сигнал – пневматический,выходной – электрический.Первичный измерительный преобразователь(чувствительный элемент) для измерения расхода,установленный по месту. Например: сопло, диафрагма,индукционный датчик расхода и т.п.Вычислительное устройство, выполняющее функциюумножения. Например: множитель на постоянныйкоэффициент К.

Функциональная схема является техническим документом, опре-деляющим функционально-блочную структуру отдельных узловавтоматического контроля, управления и регулирования технологи-ческого процесса и оснащения объекта управления приборами исредствами автоматизации. Объектом управления в системах автома-тизации технологических процессов является совокупность основного ивспомогательного оборудования вместе с встроенными в него регули-рующими органами.

При разработке функциональной схемы автоматизации технологи-ческого процесса необходимо решить следующие задачи:

· задачу получения первичной информации, как о состояниитехнологического процесса, так и оборудования;

· задачу непосредственного воздействия на ТП для управления им истабилизации технологических параметров процесса;

77

· задачу контроля и регистрации технологических параметровпроцессов и состояния технологического оборудования.При разработке функциональной схемы определяют:1) целесообразный уровень автоматизации технологического

процесса;2) принципы организации контроля и управления технологи-

ческим процессом;3) технологическое оборудование, управляемое автоматически,

дистанционно или в обоих режимах по заданию оператора;4) перечень и значения контролируемых и регулируемых пара-

метров;5) методы контроля, законы регулирования и управления;6) пороги сигнализации;7) объем автоматических защит и блокировок автономных схем

управления технологическими агрегатами;8) комплект технических средств автоматизации, вид энергии для

передачи информации;9) места размещения аппаратуры на технологическом оборудо-

вании, на щитах и пультах управления.В соответствии с ГОСТ 21.408-93 различают два способа выполнениясхемы автоматизации – развернутым и упрощенным.

При упрощенном способе выполнения схем автоматизацииконтуры контроля и управления, а также одиночные приборы наносятрядом с изображением технологического оборудования и коммуни-каций.

В таблице контуров управления указывают номера контуров. Насхеме изображают исполнительные механизмы, регулирующие органыи линию связи, соединяющую контуры с исполнительными меха-низмами. Предельные рабочие значения измеряемых (регулируемых)величин указывают рядом с графическими обозначениями контуров илив дополнительной графе таблицы контуров.

Состав каждого контура должен быть приведен на:- принципиальной (электрической, пневматической) схеме контроля,

регулирования и управления;- схеме соединений внешних проводок.

Когда на схемах автоматизации сложно привести полный составэлементов контура, разрабатывают структурную схему контура, примервыполнения которой приведен на рис. 19. При развернутом способевыполнения схем автоматизации в верхней части функциональнойсхемы должна быть приведена схема технологического процесса илиобъекта управления и условные обозначения датчиков (приборов

78

Рис. 19. Структурная схема контура регулирования уровня жидкости

измерения), предназначенных для измерения технологических парамет-ров. Это уровень первичных измерительных преобразователей (ПИП)(рис. 20).

GI1-2

SI1-1

Авар-стоп Стоп

HA1-1

HA1-3

HA1-4

HA1-5

Пуск СбросСредн_ск_об_приемника

Метраж

Пультоператора

Scadaтерминал

Средн_ск_об_приемника,

число импульсов

SI1-1

SIR 1-1

Данные для MES

Метраж,число импульсов

GI1-2

GIR 1-2

HA1-1

AIR 1-1

HA1-2

AIR 1-2

HA1-3

AIR 1-3

HA1-4

AIR 1-4

Пуск Авар-стоп Стоп Сброс

Вре

мя н

ачал

авы

полн

ения

зада

ния

Врем

я ок

онча

ния

выпо

лнен

ияза

дани

я

№ с

мены

Табе

льны

й но

мер

опер

атор

а

Средн_ск_об_приемника,

об/мин

Метраж, м

Рис. 20. Функциональная схема автоматизации

ВИП (вторичные измерительные приборы), т.е. элементы щита ипульта управления должны быть изображены в нижней части схемы вспециальной таблице произвольных размеров. В её столбцах следует

79

расположить условные обозначения приборов, средств автоматизации,аппараты управления и сигнализации, устанавливаемыенепосредственно на щитах и(или) пультах управления. Необходимообратить внимание, что здесь следует использовать щитовые обозна-чения приборов, если ПИП устанавливается на щите (например, в видесамописца или миллиамперметра) и если используется контроллернаяили дистанционная функции, то обозначение должно соответствоватьГОСТ 36-27-77. Кроме вторичных приборов здесь же должно бытьпоказано, каким образом реализуются контуры автоматическогоуправления в АСУ ТП. (рис. 19).

Связь между первичным преобразователем и вторичными прибо-рами показывается сплошной линией или обрывом линии с нумерацией.

В нижней части таблицы в виде сплошных шин приводитсяперечень вычисляемых функций на основе этих сигналов на контрол-лере и (или) в SCADA-системе (рис. 20).

10. ВЫБОР КОНТРОЛЛЕРНЫХ СРЕДСТВ РЕАЛИЗАЦИИ ИКСУ

Задачей выбора средств реализации проекта является анализвариантов, выбор компонентов ИКСУ и анализ их совместимости.

В этом разделе должен быть обоснован выбор контроллерногооборудования. В последующих разделах должен быть обоснован выборкак измерительных, так и исполнительных устройств, а также ПО АСУПП и АСУ ТП.

Контроллерное оборудование осуществляет сбор и нормализациюсигналов (приведение к унифицированному уровню сигналов), преобра-зование их в цифровой код, вычисление при необходимости и форми-рование управления и информационных кадров в зависимости отвыбранного протокола взаимосвязи между контроллером и SCADA-системой.

Современный рынок средств автоматизации предлагает широкийспектр аппаратных и программных устройств для построения надежныхи удобных в эксплуатации систем. Не существует отрасли промышлен-ности, в которой не было бы потребности применения контроллеров.Одними из их главных преимуществ является снижение, вплоть дополного исключения, влияния, так называемого человеческого факторана управляемый процесс, сокращение персонала, минимизация расходовсырья, улучшение качества исходного продукта, и в конечном итогесущественное повышение эффективности производства.

80

ПЛК ИКСУ представляют собой устройство, предназначенное длясбора, преобразования, обработки, хранения информации и выработкикоманд управления. Они реализованы на базе микропроцессорнойтехники и работают в локальных и распределенных системах управле-ния в реальном времени в соответствии с заданной программой. Потехническим возможностям, которые определяют уровень решаемыхзадач, ПЛК делятся на классы: нано, микро, малые, средние и большие.Первоначально они предназначались для замены релейно-контактныхсхем, собранных на дискретных компонентах – реле, счетчиках, тайме-рах, элементах жесткой логики. Сейчас они решают, как вычисли-тельные, так и коммутационные задачи.

Программирование ПЛК, как правило, осуществляется на одномили нескольких языках стандарта IEC-61131.3. Для тех, кто привык крелейно-контактным схемам, рекомендуется работать с языком, создан-ном на их основе (Ladder Diagram), а тем, кому понятней электронныесхемы, могут воспользоваться языком функциональных блоковыхдиаграмм (Functional Block Diagram). Опытные программисты могутиспользовать возможности всех языков.

Современный ПЛК может обрабатывать дискретные и аналоговыесигналы, управлять клапанами, шаговыми двигателями, сервоприво-дами, преобразователями частоты, осуществлять регулирование. Высо-кие эксплуатационные характеристики делают целесообразным приме-нение ПЛК везде, где требуется логическая обработка сигналов отдатчиков. Применение ПЛК обеспечивает высокую надежность, простоетиражирование и обслуживание устройств управления, ускоряет монтажи наладку оборудования, обеспечивает быстрое обновление алгоритмовуправления (в том числе и на работающем оборудовании).

Кроме прямых выгод от применения ПЛК, обусловленных низкойценой и высокой надежностью, есть и косвенные. В частности, в ПЛКимеется возможность реализовать дополнительные функции, неусложняя и не увеличивая стоимость готовой продукции, которыепомогут полнее реализовать возможности оборудования. Быстрое раз-витие микроэлектроники позволяет ожидать дальнейшего снижения цени улучшения характеристик ПЛК, что является дополнительнымстимулом к их применению.

При обосновании выбора типа ПЛК необходимо учитыватьследующее.

В случае наличия машинных контроллеров на технологическомоборудовании, ПЛК коммуникационной (обычно межуровневой) связидолжно обеспечить «прозрачную» связь машинного контроллера с

81

сервером SCADA. Наиболее подходящим вариантом (2008 г.) можетбыть, например, контроллер типа I-7088.

В случае отсутствия машинных контроллеров в технологическомоборудовании, рекомендуется в первую очередь обратить внимание навозможность применения в проектируемой ИКСУ ПЛК типа FX илиS7.

Дополнительным основанием выбора ПЛК является необходи-мость удовлетворения системных требований проекта. Системныйанализ требований проекта должен позволить ответить на следующиевопросы.

· Какие требуются периферийные устройства?· Применяются ли битовые операции или только числовые?· Сколько требуется манипуляций для обработки данных?· Должна ли система управляться по прерываниям, по готовности

или по командам человека?· Каким количеством устройств (битов ввода/вывода) необходимо

управлять?· Какие устройства из числа многих возможных типов I/O уст-

ройств должны контролироваться управляться: терминалы, вы-ключатели, реле, клавиши, сенсоры (температура, свет, напряже-ние и т.д.), визуальные индикаторы (LCD дисплеи, LED), аналого-цифровые (A/D), цифро-аналоговые (D/A) преобразователи?

· Одно или несколько напряжений питания требуется для системы?· Насколько отказоустойчив источник питания?· Будет ли работать устройство при напряжении сети питания?· Должны ли напряжения удерживаться в узком фиксированном

диапазоне изменений, или же система может работать при боль-шой нестабильности?

· Какой рабочий ток?· Изделие должно работать от сети или от батарей?· Если от батарей, должны ли использоваться перезаряжаемые

батареи и если это так, то каково время работы без перезарядки, икакое для нее требуется время?

· Существуют ли ограничения по размеру, весу, эстетическимпараметрам, таким как форма и/или цвет?

· Существуют ли какие либо специфические требования к условиямокружающей среды, таким как температура, влажность, атмо-сфера (взрывоопасная, коррозийная и т.д.), давление/высота?

· Пользовательское программное обеспечение должно базироватьсяна дисках или ROM? Изделие работает в реальном времени, и

82

если да, собираетесь ли вы создать или приобрести ядро программреального времени или, возможно, будет достаточно обычнойшироко используемой версии?Основной целью выбора микроконтроллера является нахождение

такого, который полностью бы удовлетворял техническому заданию(сформулированным выше требованиям), и в тоже время был бы наи-менее дорогим. Особенно следует учесть сервисные возможностипоставщика, в частности, его техническую поддержку. Без техническойподдержки проект обычно обречен на неудачу.

Затем, следует определиться какой набор системных функцийдолжен выполнять микроконтроллер. Как правило, микроконтроллерпредставляет собой законченную микропроцессорную систему, выпол-ненную на одном кристалле, которая содержит основные функциональ-ные блоки микропроцессорной системы (центральный процессор,постоянное запоминающее устройство, оперативное запоминающееустройство и периферийные устройства для ввода и вывода инфор-мации).

Системная функция ОЗУ. Автономные устройства часто в тече-ние длительного промежутка времени не имеют возможности передачиданных на диспетчерский пункт, поэтому в этом случае необходимоместо для хранения информации.

Одним из решений является хранение данных в энергозащи-щенных ОЗУ контроллера. При этом следует учитывать, что тем большеданных может в нем храниться, чем больше объем ОЗУ. Сейчас дляэтих целей все чаще используется флэш-память.

Для автономных систем, очень важен также такой параметр какнапряжение питания устройства хранения информации. Если напряже-ние питания снижается ниже минимально допустимого уровня, но вышенапряжения хранения информации, то хотя программа на ПЛК невыполняется, данные в ОЗУ все-таки сохраняются.

Системный интерфейс ПЛК. Одной из важнейших особенностеймикроконтроллера в автономном устройстве является наличие стан-дартного интерфейса разного типа. Интерфейс служит для целейорганизации связи автономного устройства с другими устройствами (скомпьютером, интеллектуальным датчиком, исполнительным органом)и связи микроконтроллера с другими микросхемами на плате. Для связивнутренних модулей контроллера используется интерфейс производи-теля ПЛК (например, в ПЛК ф. Simens используется Profibus). Для связис внешним компьютерным оборудованием рекомендуется использоватьинтерфейс Ethernet (возможны варианты RS-485 (232), CAN и др.).

83

Диапазон питания ПЛК. Требования, предъявляемые к микро-контроллерам удаленных (распределенных) устройств, несколько отли-чаются от стандартных требований. Тогда как в стационарных устрой-ствах требования к пониженному энергопотреблению микроконтрол-леров не являются определяющими, то в автономных удаленныхустройствах они выходят на передней план. Зачастую автономныеустройства – это системы, которые имеют автономное питание (напри-мер, питание от батареек или аккумуляторов). В этом случае жела-тельно использовать либо микроконтроллер с расширенным, либо спониженном диапазоном питания. Микроконтроллеры с расширеннымдиапазоном питания относительно неприхотливы к напряжениюпитания и подходят как для устройств с сетевым, так и с автономнымпитанием. Микроконтроллеры с пониженным диапазоном питанияпредназначены для изделий с автономным питанием, т.к. их токпотребления в несколько раз меньше тока потребления другихмикросхем. В то же время следует помнить, что микроконтроллеры спониженным диапазоном питания обычно имеют меньшую максималь-ную частоту тактирования.

Особую значимость имеют котроллеры, для которых на рынкеесть готовые аппаратно-программные модули поддержки коммуника-ционных протоколов.

11. ВЫБОР ДАТЧИКОВ И ИСПОЛНИТЕЛЬНЫХ МЕХАНИЗМОВ

При выборе датчиков в пояснительной записке проекта необхо-димо привести следующие расчеты и сведения [1, 2]:

· тип датчика;· точность (погрешность) измерения;· диапазон измерения датчика.· единицы измерения датчика;· диапазон выходного сигнала датчика;· условия эксплуатации (в том числе физическая IP- защищен-

ность, требования к источникам питания и др.);· интерфейсы связи с компьютерной средой;· стоимость (в том числе расходы в процессе их эксплуатации);● положительный опыт их применения (в том числе техническая

поддержка, показатель применяемости, и др.).

Интерфейсы выходных сигналов измерительных приборов

84

В типовой многоуровневой структуре АСУ ТП уровень первич-ного измерительного преобразователя (ПИП) связан или с уровнемконтроллеров, или с уровнем вторичных измерительных преобразова-телей ВИП посредством проводов выходных сигналов.

ВторичныеПо выходному

сигналу

Измерительные мосты

Самописцы

ПЛК

Многофункциональные

Аналоговый

Электросигнал

Емкость

Частота

Напряжение

Сопротивление

Цифровой

Двоично-десятичныйпаралльный код

RS-485, RS 232

HART

Промсеть (PB, FB)

Измерительные преобразователи

Взаимноиндуктивность

Ток

0-20 мА

0-5 мА

4-20 мА

Рис. 21. Классы сигнально измерительных устройств

Различают следующие выходные сигналы первичных измеритель-ных приборов (рис.21):

ПИП с токовым аналоговым выходом;ПИП с цифровым выходным сигналом;ПИП с индуктивной связью.ПИП с индуктивной связью являются устаревшими приборами и в

большинстве случаев подлежат замене на ПИП с токовым или цифро-вым сигналом.

ПИП ВИП

Линия связиi= f(x)

Пр+Пд+

Пр-

RвнRн

f(x)

Рис. 22. Двухпроводная токовая связь ПИП и ВИП

85

ПИП с токовым аналоговым выходом имеют встроенный источниктока – генератор тока с некоторым внутренним сопротивлением RВН.Источник тока управляется функцией f(x) измерения параметра х (рис.22). Ток i = f(x) поступает в линию связи и на входном нагрузочномрезисторе RН вторичного преобразователя создает соответствующеепадение напряжения, которое далее преобразуется в цифровое значениеизмеряемого параметра х. ПИП данного вида имеют, как правило,унифицированные выходные сигналы постоянного тока в диапазонах{0–5}, {0–20} или {4–20} мA. Току i = 0 или i = 4 мA соответствуетнекоторое минимальное значение измеряемого параметра х, а току i =iмакс. из{5–20} мА – максимальное значение этого параметра. Макси-мально допустимая длина линии связи между ПИП и ВИП зависит отвеличины внутреннего сопротивления RВН ПИП, активного сопротив-ления RЛ линии связи, входного сопротивления RН ВИП, ожидаемогоуровня помехи и, обычно, не должна превышать несколько десятковметров. Число проводов связи между ПИП и ВИП обычно 2, 3 или 4.Оно зависит от схемы подключения источника питания или от типачувствительного элемента ПИП (например, термосопротивление).

Поставщики измерительных приборов часто ориентируют потре-бителей на двухпроводный вариант подключения при токовом сигнале{4–20} мA и 4-х проводное соединение при {0–20} мA.

Применение унифицированных сигналов регламентировано ГОСТ26.011-80. Среди стандартных сигналов тока и напряжения наиболееудобным и популярным является токовый сигнал 4–20 мА. Причиныэтого в том, что он наилучшим образом решает проблемы, связанные спередачей сигналов от удаленных датчиков к вторичным измеритель-ным приборам.

Сигналы первичных преобразователей, как правило, очень малы.Например, сигналы термопар обычно меньше 50 мВ. В промышленныхусловиях сильные электромагнитные помехи могут создавать паразит-ные сигналы, в сотни и тысячи раз превышающие полезные. Сильныетоковые сигналы уровня 4–20 мА работают на низкоомную нагрузку, врезультате они меньше подвержены такому влиянию.

Для передачи токовых сигналов можно использовать соединитель-ные провода, более дешевые по сравнению с другими. При этомтребования к величине их сопротивления также могут быть снижены.

Еще одним преимуществом токового сигнала 4–20 мА является то,что при работе с ним легко обнаружить обрыв линии связи – ток будетравен нулю, т.е. выходит за возможные пределы. Обрыв в цепи ссигналом 0–5 мА обнаружить нельзя, так как ток, равный нулю, счита-ется допустимым. Для обнаружения обрыва в цепях с унифициро-

86

ванными сигналами напряжения (0–1 В или 0–10 В) приходится при-менять специальные схемотехнические решения, например, «подтяжку»более высоким напряжением через высокоомный резистор.

Б29

А29ВКГ

+18-42В

-18-42ВБП

1

2

3

4

Мет

ран

Б29

А29ВКГ

+18-42В

-18-42ВБП

1

2

3

4

Мет

ран

Рис.23. Схемы подключения 4–20 мА и 0–20 мА

Схемы подключения источников питания в схеме 4–20 мА и 0–20мА показаны на рис. 23.

ПИП с цифровым выходным сигналом имеют, как правило, галь-ванически развязанный выход с открытым коллектором транзистораили релейным «сухим» контактом, питание которого производится состороны источника тока, встроенного в ВИП. При этом в зависимостиот того, закрыт или открыт выход ПИП, величина тока в линии связиимеет значение iмин. или iмакс., что определяется дискретным характеромпроцесса измерения преобразователем параметрах энергоносителя.Последовательность «замыканий/размыканий» выходной цепи ПИПпорождает на входе ВИП последовательность токовых двоичныхимпульсов («0», «1») определенной частоты и длительности, котораяиспользуется либо для цифрового представления измеряемого пара-метра х, либо для дискретного представления (например, норм/авар,вкл/выкл). Как правило, ток в линии связи не превышает 10–20 мA.Максимально допустимая длина линии связи зависит от величины токаВИП, активного сопротивления линии и может доходить до 3 км.

Цифровой ПИП может иметь следующие выходные сигналы:

87

· ПИП с токовой петлей (CL);· ПИП с выходом RS 232 или RS 485;· ПИП с HART выходом;· ПИП с полевой шиной (PB или FB).

ПИП с токовой петлей (CL) относится к классу универсальныхдвухточечных радиальных интерфейсов удаленного последовательногодоступа к системам. Это сединение широко применяется в промышлен-ном оборудовании, так как позволяет осуществить связь по физическимлиниям на дальние расстояния до 3 км) без использования аппаратурыпередачи данных (модемов). Интерфейс CL представляет собой двух- ичетырехпроводную линию, образующую токовую петлю с дискретнопереключаемым источником тока и приемником. Последовательныеданные от источника к приемнику (рис. 24) передаются побитно ипобайтно асинхронным способом сигналами постоянного тока i = 20 мA(иногда используются сигналы10, 40 или 80 мA). Ток, превышающий 17мA, представляет логическую «1»(маркер), а ток, меньший чем 2 мA,—логический «0» (пробел). Одно из взаимодействующих устройствдолжно быть активным и служить источником тока, а другоепассивным (приемником).

Пд-

ВИП ПК

Линия связиi= 0-20 мА

Пр+Пд+

Пр-

RвнRн

1/0

Источник тока

0 = i< 2 мА 1= i> 17 мА

Рис.24. Соединение ВИП с компьютером линией связи типа CL

Интерфейс CL имеет, как правило, протяженную линию передачи,которая подвержена влиянию внешних помех и перенапряжений.Поэтому схемы передатчика и приемника линии гальванически развя-зываются за счет использования оптронов и изолированных источниковпитания.

Максимальная скорость передачи сигналов по токовой петле –9600 бит/с при длине линии связи до 300 м. Снижая скорость передачи,можно почти пропорционально увеличивать длину линии: на скорости1200 бит/с длина линии увеличивается до 2000 м.

Токовая петля используется обычно для сопряжения одного пере-датчика и одного приемника, но, в принципе, она может охватывать и

88

несколько последовательно соединенных пассивных приемников.Токовая петля позволяет передавать данные по двухпроводной линии водном направлении (симплексная связь): от передатчика к приемнику.Для дуплексной связи одновременной передачи в двух противополож-ных направлениях) используется четырехпроводная линия.

Интерфейс ПИП с RS 232 применим для установления синхрон-ной и асинхронной связи между устройствами в симплексном, полу-дуплексном (двухпроводный вариант) и дуплексном режимах (четырех-проводный вариант). Скорость передачи данных по интерфейсуRS_232C составляет от 50 до 19200 бит/с. Максимальная длина линийсвязи при максимальной скорости не превышает 16 м. На практике эторасстояние может быть существенно увеличено при снижении скоростипередачи и использовании экранированного кабеля с малой собственнойемкостью (при скорости 1200 бит/с максимальная длина неэкраниро-ванного кабеля достигает 900 м). Типичный формат асинхронной пере-дачи данных по интерфейсу представляет собой следующий пакет: байтданных оформляется стартовым битом, необязательным битом паритетаи стоповым битом. Любое сообщение, передаваемое по интерфейсуасинхронным способом, представляет совокупность байтов данных,оформленных указанным образом. Сигналы этого интерфейса переда-ются перепадами напряжения величиной (3…15) В. Интерфейс RS-232имеется в каждом PC-совместимом компьютере, где используется восновном для подключения манипулятора типа “мышь”, модема, и реже– для передачи данных на небольшое расстояние из одного компьютерав другой. Интерфейс RS-232 принципиально не позволяет создаватьсети, так как соединяет только 2 устройства (так называемое соединение“точка - точка”).

Интерфейс ПИП с RS 485 ориентирован при 1 Мбит скоростипередачи на совместную работу до 32 источников и 32 приемниковданных. Такой интерфейс позволяют объединять приборы в разветвлен-ные сетевые структуры и поэтому в последние годы они все чащереализуются в различных приборах, в частности, в приборах учетаэнергоресурсов.

89

RS

485

RS

485

RS

485

СО

М

Рис 25. Многоточечная связь по интефейсу RS 485

Сигналы интерфейса RS-485 передаются дифференциальнымиперепадами напряжения величиной (0,2…8) В, что обеспечивает высо-кую помехоустойчивость и общую длину линии связи до 1 км (и более сиспользованием специальных устройств – повторителей).

HART интерфейс связи – это открытый стандартный гибридныйпротокол двунаправленной связи, который предусматривает передачуцифровой информации поверх стандартного аналогового сигнала 4–20мA.

Промышленные шины связи CAN, Foundation Fieldbus иProfibus реализуются на основе типовых стандартных интерфейсов. Кпромышленным шинам, применяемым в производственных (полевых)условиях, предъявляются следующие основные требования:

· широкий диапазон рабочих температур;· помехозащищенность трактов передачи данных (способ пере-

дачи);· реальный масштаб времени (скорость);· большие расстояния объектов взаимодействия (длина);· гибкая структура шин передачи данных (топология шины).

Под широким диапазоном температур подразумевается темпера-тура в пределах от ± 40 °С до ± 85 °С. Этот диапазон температурнеобходим для работы в полевых условиях.

Помехозащищенность трактов передачи данных зависит конкрет-но от приёмопередатчиков и физической линии (тип кабеля, сечение,волновое сопротивление).

Оптимальными решениями для полевых условий являютсяприёмопередатчики с дифференциальными уровнями сигналов и линиипередачи на витой паре.

90

Системные магистрали на базе промышленных шин должныобеспечивать своевременную и подлежащую расчетам передачу данныхв реальном масштабе времени.

Полевые шины применяются как в централизованных, так и враспределенных системах, где расстояния между объектами взаимо-действия могут составлять более 1000 метров.

Гибкость структуры шин передачи данных предполагает исполь-зование сегментированных линий типа "линия", "дерево", "звезда","кольцо".

При разработке проекта необходимо обосновать погрешностьканала измерения. По каждому измерительному каналу в пояснительнойзаписке необходимо сделать резюме, например, со следующим содер-жанием.

Датчик давления был выбран в соответствии с рекомендациеймежгосударственного нормативного документа «Обеспечение эффе-ктивности измерений при управлении технологическими процессами» сучетом требования к погрешности канала измерения не более 0.3 % сзаданной разрядностью АЦП (10 разрядов).

Расчет погрешности измерения датчика давления был произведенпо формуле:

)( 25

24

23

22

21 dddddd +++-£ ,

где 3,0=d % – требуемая погрешность измерения канала измерений;05,02 =d – погрешность передачи по каналу измерений; 3d – погреш-

ность, вносимая АЦП; 4d и 5d – дополнительные погрешности,вносимые соответственно окружающей температурой и вибрацией.

Погрешность, вносимая 10-и разрядным АЦП, была рассчитанаследующим образом:

3 10

1 100 0.12

d ×= = %.

При расчете были учтены дополнительные погрешности, вызван-ные влиянием:

· температуры окружающего воздуха;· вибрации.

Дополнительная погрешность, вызванная температурой окружа-ющего воздуха:

40,3 34 0,102 %

100×

d = = .

Дополнительная погрешность, вызванная вибрацией:%057,019,03,05 =×=d .

Таким образом, расчет погрешность датчика давления:

91

%254,01 £d .По результатам расчета был выбран "Метран-22ДД" модель

2460 со следующими техническими характеристиками:верхний предел измерения – 10 МПа; предел допускаемой основнойпогрешности ± 0,25 %; выходной сигнал – 4–20 мА; питание –постоянный ток напряжением 36 ± 0,72 В; масса – 10 кг. Изгото-витель – промышленная группа «Метран».

Измерительный прибор обеспечивает непрерывное преобразо-вание значения измеряемого параметра в унифицированный токовыйвыходной сигнал. Преобразователь обеспечивает его работу со ВТО-ричной регистрирующей, показывающей аппаратурой, регуляторами идругими устройствами автоматики, работающими от стандартноговходного сигнала 0… 5, 0 … 20 или 4 … 20 мА постоянного тока.

Принцип действия преобразователя основан на использованиитензоэффекта в полупроводниковом материале. Измеряемый пар-аметр поступает в камеру измерительного блока, где он линейнопреобразуется в деформацию чувствительного элемента и изменениеэлектрического сопротивления тензопреобразователя, размещенного визмерительном блоке. Электронное устройство преобразует измене-ние его сопротивления в выходной сигнал. Чувствительным элементомявляется пластина из монокристаллического сапфира с кремниевымипленочными тензорезисторами, прочно соединенными с металлическоймембраной тензопреобразователя. Пластина и полупроводниковыйматериал не вступают в активную химическую реакцию с окружаю-щей средой, поэтому не требуется периодической оперативнойкалибровки ПИП.

12. ВЫБОР (ОБОСНОВАНИЕ) АЛГОРИТМОВ УПРАВЛЕНИЯАСУ ТП

В ИКСУ на разных уровнях управления используются алгоритмыАСУ ТП и АСУ ПП.

К алгоритмам АСУ ТП относятся:▪ алгоритмы пуска (запуска) технологического оборудования

(релейные пусковые схемы);▪ релейные или ПИД-алгоритмы автоматического регулирования

технологическими параметрами РЦ (управление положением рабочегооргана, регулирование температуры, уровня и т.п.);

92

▪ алгоритмы управления сбором измерительных сигналов (алго-ритмы в виде универсальных логически завершенных программныхблоков, помещаемых в ППЗУ контроллеров);

▪ алгоритмы противоаварийной защиты (ПАЗ).

Алгоритмы централизованного управления АСУ ТП в целом

При представлении программных алгоритмов управления в пояс-нительной записке должны использоваться схемы, составленные поправилам ГОСТ 19.002 (табл. 6).

Таблица 6Начало

Точка начала выполнения алгоритма (точкавхода)

КонецТочка завершения выполнения алгоритма(точка выхода)

Value

Да

Нет

Проверка Value:Да – Value не равно нулюНет – Value равно нулю

Value > Limit

Да

НетСравнение Value со значением Limit:Да – условие выполняетсяНет – в противном случае

Value=ХХ Присвоение Value определенного значения

Операция

Предопределенная операция, блокалгоритма

Генерация сообщения оператору(информационное, предупредительное илиаварийное)

Перенаправление на следующую страницусхемыНазначение перенаправления спредыдущей страницы схемы

93

Пример алгоритма управления сбором сигналов технологическогопроцесса приведен на рис.26

Алгоритм предназначен для измерения межфазного уровня жидко-сти в резервуаре, оснащенном:

предупредительной сигнализацией значений выше максимальногодопустимого и остановом или блокировкой пуска насоса Е-6;

предупредительной сигнализацией значения ниже минимальногодопустимого;

аварийной сигнализацией значения ниже минимального предель-ного и остановом насосов Н-2/1..Н-2/4;

измерения общего уровня жидкости с аварийной сигнализациейзначений выше максимального предельного и закрытием электро-задвижки N5.

В этом алгоритме используется следующая информация:RХ_Lvl_TE – текущий общий уровень (ТЕ) жидкости в резервуаре

RХ;RХ_MFaseLvl_TE – текущий межфазный уровень в резервуаре

RХ;Reg_RX_Lvl_TE – регистровое значение текущего общего уровня

(ТЕ) жидкости в резервуаре RХ;Reg_Error – обрыв или короткое замыкание;Reg_L1 – превышение первого порога;Reg_Mask – маскирование;RХ_Lvl_LL_TE – значение минимального предельного уровня в

RХ;Reg_ RХ_MFaseLvl_TE – регистр уставки параметра "Резервуар-

отстойник Р-#. Межфазный уровень";Reg_L2 – превышение второго порога;Х – номер резервуара.При выполнении алгоритма формируются следующие команды:

Nasos_NeedStop – команда «останов насосов Н-2/1..4»;Nasos E6_NeedStop – команда «останов насоса емкости Е-6»;N1_CloseCmd – команда "Принудительно закрыть" электрозадвижкуN5».

94

Рис.26. Алгоритм сбора данных об уровне жидкости врезервуаре Р-3(4)

Выбор параметра и канала регулирования. Одним и тем жевыходным параметром объекта можно управлять по разным входнымканалам. Например, температуру в печи можно регулировать двумяпутями – изменением расхода воздуха или подачей газа в печь.

95

Задача состоит в том, какой из входных параметров (каналов)следует выбирать. При выборе нужного канала управления исходят изследующих соображений.

1. Из всех возможных регулирующих воздействий выбираюттакой поток вещества или энергии, подаваемый в объект или отводимыйиз него, минимальное изменение которого вызывает максимальноеизменение регулируемой величины, т. е. коэффициент усиления по вы-бранному каналу должен быть по возможности максимальным. Тогда,по данному каналу, можно обеспечить более точное регулирование.

2. Диапазон допустимого изменения управляющего сигнала дол-жен быть достаточен для полной компенсации максимально возможныхвозмущений, возникающих в данном технологическом процессе, т. е.должен быть запас по мощности управления в данном канале.

3. Выбранный канал должен иметь благоприятные динамическиесвойства, т. е. запаздывание τ и отношение τ/Т, где Т – постояннаявремени объекта, должны быть возможно меньшими. Кроме того,изменение статических и динамических параметров объекта по выбран-ному каналу при изменении нагрузки или во времени должны бытьнезначительными.

4. Выбранный канал регулирования должен быть согласован стехнологическим регламентом ведения процесса.

Выбор алгоритма автоматического регулирования технологи-ческими параметрами РЦ. В проектных документах необходимо обо-сновать и выбрать такой тип регулятора (двухпозиционный, трехпози-ционный, многопозиционный релейный регулятор, аналоговый, цифро-вой ПИД, самонастраивающийся регулятор), который при минимальнойстоимости и максимальной надежности обеспечивал бы заданноекачество регулирования технологического параметра (показательколебательности, точность позиционирования, поддержания заданнойтемпературы, уровня и т.п.).

Для того, чтобы выбрать и обосновать выбор типа регулятора,определить его настройки необходимо знать:

· статические и динамические характеристики объекта управления;· требования к качеству процесса регулирования;· характер возмущений, действующих на регулируемый процесс.

Выбор типа регулятора обычно начинается с простейших двух-позиционных релейных регуляторов и может заканчиваться самонаст-раивающимися микропроцессорными регуляторами.

Примечание. Перед выбором закона регулирования необходимоуточнить сведения по объекту управления. Так, например, по требо-

96

ваниям технологического регламента некоторые объекты не допу-скают применения релейного управляющего воздействия.

На этапе предварительных расчетов считается, что в системе сзапаздыванием, минимальное время регулирования tPmin = 2τ.

Известно, что на динамику регулирования (в частности, на времярегулирования tP) наибольшее влияние оказывает величина отношениязапаздывания к постоянной времени объекта τ/Т. Эта величина частохарактеризует собой степень трудности регулирования объекта.

При определении минимально возможного времени регулирова-ния tР для различных законов регулирования и типов регуляторов приих настройке можно руководствоваться рекомендациями для выборазакона регулирования, приведенными в таблице выбора регулятора(табл. 7).

В этой таблице приведены рекомендации, исходя из величиныотношения запаздывания τ к постоянной времени объекта Т.

Если τ/Т < 0,2, то можно выбрать релейный, непрерывный илицифровой регуляторы.

Если 0,2 < τ/Т < 1, то рекомендуется непрерывный или цифровойПИ-, ПД-, ПИД-регулятор.

Если τ/Т > 1, то выбирают специальный цифровой регулятор супреждением, который компенсирует запаздывание в контуреуправления. Однако этот же регулятор рекомендуется применять и применьших отношениях τ/Т.

Таблица 7.Таблица выбора регулятора

Характеристика обьектаПределыотношенияτ/Т

Соотно-шение tР/τ по запаздыванию

и инерционностипо степенирегулируемости

Законрегулиро-вания и типрегулятора

0<τ/Т<0,05 Беззапаздывания

Очень хорошорегулируемый

Релейный,непрерывныйП-, ПИ-, ПД-,ПИД-регуля-тор

0,05<τ/Т<0,1 С большойинерционностьюи с малымзапаздыванием

Очень хорошорегулируемый

Релейный,непрерывныйП-, ПИ-, ПД-,ПИД-регулятор

0,1<τ/Т<0,2 С существеннымтранспортнымзапаздыванием

Хорошорегулируемый

Релейный,непрерывныйП-, ПИ-, ПД-,

97

ПИД-регу-лятор

0,2<τ/Т<0,4 С существеннымтранспортнымзапаздыванием

Ещерегулируемый

Непрерывныйили цифровойПИ-, ПД-,ПИД –регуля-тор

0,4<τ/Т<0,8 С существеннымтранспортнымзапаздыванием

Труднорегулируемый

Непрерывныйили цифровойПИ-, ПД-,ПИД-регуля-тор

0,8<τ/Т<1 С большимтранспортнымзапаздыванием

Очень труднорегулируемый

Непрерывныйили цифровойПИ-, ПД-,ПИД-регуля-тор

τ/Т>1 С большимтранспортнымзапаздыванием

Очень труднорегулируемый

Цифровойрегулятор супредителем

tP/τ ≥6,5

Непрерывныйили цифровойП-регулятор

tP/τ ≥12

Непрерывныйили цифровойПИ-регулятор

tP/τ ≥ 7 Непрерывныйили цифровойПИД-регулятор

Существуют объекты с самовыравниванием и объекты безсамовыравнивания. Объекты регулирования с отношением tP/τ < 0,2устойчивы и обладают самовыравниванием.

Примером объекта без самовыравнивания является вентилятор сасинхронным электродвигателем с жесткой характеристикой. Приизменении напряжения питания двигатель или находится взаторможенном состоянии, или разгоняется до номинальных оборотов.

На параметры объекта (в частности, на величину запаздывания)значительное влияние оказывает взаимное расположение исполнитель-ных органов (например, нагревательного элемента) и первичного преоб-разователя (датчика). Наличие запаздывания объекта резко ухудшаетдинамику замкнутой системы.

98

Для каждого объекта управления необходимо применятьрегуляторы с соответствующим алгоритмом и законом регулирования.

В ПИД-алгоритмах наиболее часто используются П- ПИ- ПИД-законы регулирования.

П-регулятор – это пропорциональный регулятор.Передаточная функция П-регулятора: WП(s) = K1.

Принцип действия заключается в том, что регулятор вырабатываетуправляющее воздействие на объект пропорционально величине ошиб-ки (чем больше ошибка Е, тем больше управляющее воздействие Y).

Исходя из соотношения tP/τ, наибольшее быстродействие обес-печивает П-закон регулирования. Однако, если коэффициент усиленияП-регулятора К1 оказывется небольшим (чаще всего это наблюдается всистемах с запаздыванием), то такой регулятор не обеспечивает высо-кой точности регулирования, так как в этом случае велика величинастатической ошибки.

Если К1 ≥ 10, то П-регулятор приемлем, а если К1 < 10, торекомендуется введение в закон управления интегральной составляю-щей.

ПИ-регулятор – это пропорционально-интегральный регулятор.Он представляет собой сочетание П- и И-регуляторов.

Передаточная функция ПИ-регулятора: WПИ(s) = K1 + K2 / s.Наиболее распространенным на практике является ПИ-регулятор.

Он обладает следующими достоинствами:1) обеспечивает нулевую статическую ошибку регулирования;2) достаточно прост в настройке, т.к. настраиваются только два

параметра, а именно коэффициент усиления К1 и постоянная времениинтегрирования Ti= 1/К2. В таком регуляторе имеется возможностьоптимизации величины отношения К1/Тi→ min, что обеспечиваетуправление с минимально возможной среднеквадратичной ошибкойрегулирования;

3) обладает малой чувствительностью к шумам в канале измере-ния (в отличие от ПД-регулятора).

ПД- регулятор – это пропорционально-дифференциальный регу-лятор..

Передаточная функция ПД- регулятора: WПД(s) = K1 + K3 s.Этот закон часто применяется при наличии датчика скорости

параметра регулирования. Он может обеспечить высокое быстро-действие и достаточно малый показатель колебательности. Однако сувеличением запаздывания в системе резко возрастают отрицательныефазовые сдвиги, что снижает эффект действия дифференциальнойсоставляющей регулятора.

99

ПИД- регулятор – это пропорционально-интегрально-дифферен-циальный регулятор. Он представляет собой сочетание П-, И- и Д-регуляторов.

Передаточная функция ПИД- регулятора: WПИД(s) = K1 + K2 / s +K3 s.

Этот регулятор используется довольно часто, поскольку онсочетает в себе достоинства всех трех типовых регуляторов. Однакоследует учитывать то, что эти достоинства реализуются только при егооптимальных настройках, когда настраиваются все три параметра K1, K2и K3.

С увеличением запаздывания, также как и при использовании ПДзакона регулирования, в системе резко возрастают отрицательныефазовые сдвиги, что снижает эффект действия дифференциальнойсоставляющей регулятора.

Кроме этого, наличие шумов в канале измерения в системе с ПИД-регулятором приводит к значительным случайным колебаниям управ-ляющего сигнала регулятора, что увеличивает дисперсию ошибки регу-лирования и износ исполнительного механизма.

Таким образом, ПИД-регулятор следует выбирать для системрегулирования с относительно малым уровнем шумов и величинойзапаздывания в объекте управления.

ПИД-регуляторы позволяют для объектов с малым транспортнымзапаздыванием τ < 0,2T обеспечить хорошее качество регулирования,достаточно малое время выхода на режим и невысокую чувствии-тельность к внешним возмущениям. Иногда (в обьектах регулированияс существенным транспортным запаздыванием) при τ > 0,2T ПИД-регулятор обладает плохим качеством регулирования. Следует иметь ввиду также то, что при неточном задании коэффициентов настройкиПИД-регулятор может иметь худшие показатели, чем двухпозиционныйрелейный регулятор и даже перейти в режим автоколебаний. Длятиповых П-, ПИ-, ПИД-регуляторов известны простейшие аналити-ческие и табличные методы настройки.

В пояснительной записке рекомендуется этот раздел завершитьвыбором коэффициентов регулятора. Для этого можно воспользовать-ся эмпирическими формулами методики Цидлера «Настройка пореакции на входной скачок» [12].

100

13. АЛГОРИТМИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕУПРАВЛЕНИЯ ОБСЛУЖИВАНИЕМ ОБОРУДОВАНИЯ

ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА

Каждая из восьми функций MES (раздел 5) реализуется на основесвоих специфических правил. С точки зрения программной среды АСУПП логику можно представить следующим образом (рис. 27).

Вход Выход1. Данные о заказах.2. Данные дляпроизводственногоплан-графика.3. Оперативныеданныепроизводствапродукции.4. Данные осостоянии запасов.5. Спецификациясостава изделия.6. Данные окачестве.7. Данные о запасах.8. Данные остоимостипродукции.9. Данные поперевозкам.10. Данные потехобслуживанию.

АСУ ПП-цикл,например,PDCA циклДеминга

1. График заказов назакупку/производствоматериалов.2. Производственныйплан-график.3. Управлениепроизводством.4. Изменения к графикузаказов на закупку/производство материалов.5. Завки на закупки.6. Корректиирующие мпредупреждающиедействия по улучшениюкачества продукции.7.Учет внутрицеховых искладских запасов.8.Расчет себестоимостипродукции.9. Заявки на транспортныеоперации.10. Техническоеобслуживание.

Рис.27. Типовой алгоритм управления производственным процессом

Как и всякая компьютерная система, АСУ ПП обменивается сокружающей средой входной и выходной информацией [12]:

В соответствии с приведенным на рис. 27 алгоритмом для реалии-зации управления требуются следующие основные данные.

Основной производственный план-график (объемно-календарныйплан, Master Production Schedule – MPS) – документ, в котором распи-

101

сано, сколько единиц продукции будет производиться в каждыйплановый период отрезка планирования.

Данные о состоянии запасов (книга учета запасов, Inventory StatusFile) – документ, максимально полно раскрывающий информацию окаждой учетной единице сырья, материалов, полуфабрикатов, конечнойпродукции, включающую:

· общее описание – идентифицирующий код, характеристику,размер, вес и пр.;

· данные о запасах: единица запаса, расположение, размер запаса,статус (например, находится в цехе, на складе, в текущих заказах),оптимальный запас, страховой запас и пр.;

· данные по закупкам и продажам для сырья, материалов и полу-фабриката: единица закупки/продажи, основные поставщики/по-купатели, цена, время доставки, реквизиты поставщиков/по-купателей, дополнительная информация (например, возможныезадержки поставок);

· данные по производству для полуфабрикатов и конечной продук-ции: размер поставки, длительность производственного цикла.Спецификация состава изделия (Bill of Materials File – BOM) –

документ, содержащий:· перечень сырья, материалов и полуфабрикатов, необходимых для

производства продукции, с указанием нормативов по их использо-ванию;

· иерархическое описание структуры продукции;· результатами работы АСУПП-модуля являются следующие доку-

менты.График заказов на закупку/производство материалов и комплек-

тующих (Planned Order Schedule) – документ, расписывающий, какоеколичество сырья и материалов должно быть заказано (запланировано)в каждый плановый период в течение срока планирования. Этот доку-мент определяет внутрипроизводственный план производства полу-фабрикатов и план внешних закупок.

Изменения к графику заказов на закупку/производство материа-лов и полуфабрикатов (Changes in planned orders) – документ, содер-жащий корректировки ранее спланированных заказов на закупку/произ-водство материалов и полуфабрикатов.

Часто входные и выходные данные АСУПП-модуля представ-ляются в виде таблиц базы данных (ER-моделей).

Собственно АСУПП-цикл состоит из следующих шагов.

102

1. Составляется таблица общих потребностей в материалах иполуфабрикатах. Последовательность ее создания такова.

Древовидная структура состава продукции разворачивается влинейный список материалов и полуфабрикатов:

· узловые элементы различных уровней подготовки продукциикодируются (корневому элементу присваивается код 0, элементамсамого верхнего уровня сборки – код 1 и т.д. по уровням);

· если некоторый элемент встречается на различных уровнях, емуприсваивается код самого нижнего из этих уровней (и, такимобразом, в линейном списке этот элемент встретится только одинраз);

· разузлование состава продукции происходит последовательно поуровням – сначала обрабатывается уровень 0, затем уровень 1 итак далее.2. Из книги учета запасов в расчетную программу переносятся

данные о материалах и полуфабрикатах, необходимых для производстваготовой продукции, и, в частности, данные о времени выполнениязаказа на их поставку/производство.

3. Туда же переносятся плановые показатели выпуска конечногоизделия из основного план-графика производства.

4. По каждому материалу и узлу для каждого планового периодарассчитывается общая производственная потребность в этом материа-ле/узле; при этом используются данные состава готовой продукции(количество каждого материала/узла, необходимое для производстваготовой продукции или промежуточного узла) и информация о временипоставки/производства материалов и полуфабрикатов.

Другой группой задач АСУ ПП является оперативное диагности-рование состояния технологического оборудования. В процессе выпол-нения заказов с помощью технического диагностирования определяютего состояние (допустимое, предаварийное, аварийное состояния, соот-несенные зонам С, В и А карты Шухарта) и осуществляют поискнеисправности. Число состояний, различаемых в результате поисканеисправности, определяется глубиной поиска дефекта и требуемойдостоверностью результатов диагностирования. Глубина поиска зада-ется указанием элементов системы, с точностью, до которых опреде-ляют место неисправности. Достоверность результатов диагностиро-вания – степень соответствия состояния, оцененного по этим резуль-татам, истинному состоянию системы. Количественно достоверностьхарактеризуется вероятностью совпадения оцененного и истинногосостояний.

103

Результаты диагноза используют при прогнозе развития событий ипоиске причин отказов, аварий и т.п. В первом случае предсказывают(прогнозируют) состояние системы, в котором она может оказаться внекоторый будущий момент времени. Например, реактор в настоящиймомент находится в предаварийном состоянии; определяются еговозможные переходы в другие состояния, и в первую очередь ваварийные. Во втором случае восстанавливают состояние, в которомсистема находилась в некоторый предшествующий момент времени.Это особенно важно при расследовании аварий, выявлении причин ихвозникновения. Определение состояний, предшествующих аварии, а,следовательно, и первопричины ее возникновения, исключительноважны для недопущения подобных аварий в будущем и на аналогичныхсистемах. Использование методов технической диагностики позволяетсократить время простоя оборудования в ремонте до 30 %.

Алгоритм оперативного диагностирования может быть реализованс использованием критериев диагностики, приведенных в ГОСТ Р 50779«Статметоды. Карты Шухарта».

Для детального анализа контрольных Х-карт Шухарта исполь-зуется метод анализа зон. Для этого область контрольной карты надцентральной линией карты и под ней делится на три эквивалентные"зоны" (рис. 28). Эти зоны называют “сигмовыми” зонами, где s –стандартное отклонение распределения выборочных средних. Каждойзоне приписывают вероятность нахождения в ней точек, наносимых наконтрольную карту, в предположении нормального закона распределе-ния. Если измерения контролируемого параметра имеют нормальноераспределение, то около 68,26 % всех значений лежат в пределах ± s отцентральной линии, около 95,44 % – в пределах ± 2s и около 99,73 % –в пределах ± 3s. Эти данные являются основой для принятия решений овозможностях техобслуживании.

В соответствии с этим алгоритмом считается, что риск того, чтонанесенная на диаграмме точка, оказавшаяся вне контрольныхпределов, не соответствует действительности равен 0,3 % (или три натысячу случаев). Другими словами, вероятность того, что нарушениеконтрольных пределов, в самом деле, случайное событие, а не реальныйсигнал, считается столь малой, что при появлении точки вне пределовследует предпринимать определенные действия. Поэтому 3s контроль-ные пределы называют границами действий.

Пределы на контрольной карте, установленные на расстоянии 2sназывают предупреждающими.

104

Верхний контрольный предел

Нижний контрольный предел

Зона А

Центральнаялиния

Зона А

Зона В

Зона В

Зона С

Зона С

3s

-3s

2s

1s

-1s

-2s

Рис.28. Пример контрольной R - карты

Расчетные формулы: Это скороговорка. Плохо!ВКПх= X + А2 R .НКПх= X – А2 R .

A2 R = 3σ.ВКПR= D4 R .НКПR= D3 R ,

где A2, D3, D4, выбираются из таблицы исходных коэффициентов (табл.9).

Размах Ri – это разность между наибольшим значением измеренияи наименьшим в каждой выборке.

Выборочное среднее X i=(å=

5

1jX j)/j.

Среднее средних X =(å=

21

1iiX )/i.

Среднее размаха R =(å=

21

1iiR )/i.

Таблица 9. Таблица исходных коэффициентов

j A2 D3 D4 d22 1,88 0 3,27 1,133 1,02 0 2,57 1,694 0,73 0 2,28 2,065 0,58 0 2,11 2,336 0,48 0 2,00 2,53

105

Для выявления состояния оборудования на карте Шухарта должныбыть построены графики (прямые ВКПх, НКПх, + σ, -σ, +2σ, -2σ, X ,параллельные оси абсцисс) и X (всего i точек).

Согласно ГОСТ для интерпретации хода процесса по картеШухарта используются восемь критериев, каждый из которых долженбыть проверен.

1. Проверка наличия точек (точки) на карте за контрольнымипределами (рис. 29).

АВССВА

ВКП

НКП.

.

.

.

..

Рис.29. Критерий 1

Наличие одной или большего числа точек за контрольными преде-лами – первый признак отсутствия управляемого состояния в этойточке. Поскольку точки вне контрольных пределов крайне редки, тоследует предположить, что данная точка указывает на наличие особойпричины (например, аварийное состояния подшипника узла газопере-качивающего насоса).

2. Наблюдение 9 точек подряд в зоне С по одну сторону отцентральной линии (рис. 30).

106

АВССВА

ВКП

НКП

. . .......

Рис.30. Критерий 2

Если этот критерий выполняется, то делается вывод о возможномизменении среднего значения процесса в целом и таким образом опоявлении системной причины смещения измерений, требующей устра-нения.

3. Наблюдение 6 точек монотонного роста или снижения, распо-ложенные подряд (рис. 31).

АВССВА

ВКП

НКП

.. . .

. .

.....

.

Рис.31. Критерий 3

Часто такой сдвиг обусловлен изнашиванием инструмента, ухуд-шением технического обслуживания оборудования, изменением квали-фикации рабочего и т.п.

4. Наблюдение 14 точек подряд в "шахматном" порядке (черезодну над и под центральной линией) (рис. 32).

107

АВССВА

ВКП

НКП

. ......

..

.....

Рис.32. Критерий 4

Если критерий 4, как это показано рис. 32, выполняется, то этоуказывает на действие двух систематически изменяющихся причин,например, попеременное действие двух альтернативных технологи-ческих единиц.

5. Наблюдение 2-х из 3-х расположенных подряд точек в зоне A(рис. 33).

АВССВА

ВКП

НКП

.

.

.

. .. .

..

Рис.33. Критерий 5

Этот критерий служит "ранним предупреждением" о начинаю-щемся нарушении процесса (предаварийное состояние технологиче-ского оборудования).

6. Наблюдение 4-х из 5-ти расположенных подряд точек в зоне B(рис.34).

Как и предыдущий, этот критерий может рассматриваться в каче-стве индикатора – "раннего предупреждения" о возможном нарушенияпроцесса.

108

АВССВА

ВКП

НКП

.....

.

Рис.34. Критерий 6

7. Наблюдение 15 точек подряд в зоне C по обе стороны отцентральной линии (рис. 35).

АВССВА

ВКП

НКП

. .... . .

.......

Рис.35. Критерий 7

Выполнение этого критерия указывает на наличие системнойошибки контроля («грубые» измерения, несогласованная метрологияПИП с системой диагностирования).

8. Наблюдение 8 последовательных точек по обеим сторонамцентральной линии и ни одной в зоне С (рис. 36).

АВССВА

ВКП

НКП

.

. .

.. ..

.

Рис.36. Критерий 8

Этот критерий указывает на наступление предаварийного неустой-чивого состояния оборудования.

109

Используя эти критерии, можно сделать оперативное заключениео возможном состоянии (прогнозе состояния) технологического обору-дования.

При анализе проблем состояния оборудования своевременностьважна как с точки зрения минимизации производства несоответствую-щей продукции, так и получения обоснованных фактов для установ-ления причин. Записи о работе процесса, которые оператор обязанпериодически вносить в формуляр контрольной карты, являютсяважным источником информации для идентификации особых причин.

Одной из принципиальных сложностей построения автоматизиро-ванных диспетчерских систем, ориентированных на распознаваниеначальных форм нарушений процесса производства, является ихизначальная размытость и неопределенность результатов контроля.Размытость выражается в плавных сдвигах характеристической кривой,их транзиторном и (во многих случаях) обратимом характере, в посте-пенном переходе из более легких стадий нарушения в более тяжелые.Неопределенность результатов контроля характерна для любых методовконтроля и надежности, основанных на технических экспериментах,измерениях, анализе, испытаниях. Она обусловлена конечной точно-стью приборов и методов измерений, вариациями условий контроля иконтрольными испытаниями, особенностями персонала, осуществля-ющего контроль, разбросом данных при выборочных методах контроляи др. факторами. Поэтому в настоящее время особую актуальностьприобретают системы, предназначенные для поддержки процессовпринятия решений, в частности, советующие и экспертные системы.Назначение этих систем – “выдавать” по запросу пользователя советыпо поведению в складывающейся на анализируемом объекте ситуации,причем делать это на уровне опытного человека, авторитета в своейобласти.

Советующая система не предназначена для замены человека –оператора, принимающего решения (хотя в экстренных случаях такаязамена возможна при наличии надежного интерфейса с объектомуправления). Рекомендации пользователю выдаются с экрана монитора.Форма выдачи не должна быть навязчивой, за исключением аварийныхсигналов. Право выбора конкретного решения остается за оператором.

14. РАЗРАБОТКА ПРОГРАММНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯДЛЯ ПРОГРАММИРУЕМЫХ ЛОГИЧЕСКИХ КОНТРОЛЛЕРОВ

Как только сформулирована задача программирования логикиконтроллера, то сразу встает вопрос о соответствующем программном

110

инструментарии для решения этой задачи. Использование средствтрадиционного программирования (Си, Паскаль, Фортран, Бейсик ит.п.) дает решение задачи, но требует при этом обязательных знаний втеории программирования, знаний особенностей конкретной операци-онной системы и тонкостей аппаратного обеспечения (контроллеров,модулей сопряжения с объектом и т.п.).

Международная Электротехническая Комиссия (МЭК) предлагаетиспользовать для этих целей стандарт IEC 1131-3, который определяетпять языков программирования логических контроллеров (PLC). Этотстандарт имеет очевидные преимущества, а именно: получение качест-венного программного продукта, сопрягаемость отдельных програм-мных посистем на уровне исходных текстов, независимость от типаоперационной системы и от конкретной персоны программиста,появление общего языка общения в среде разработчиков прикладногопрограммного обеспечения (ППО) и, наконец, самое важное – значи-тельное сокращение времени разработки ППО и, как следствие,сокращение финансовых затрат на разработку проектов в целом.

Для специалистов КИПиА наиболее понятен язык LD-релейныхдиаграмм (Ladder Diagrams). Программа контроллера, написанная наэтом языке, представляет собой релейную диаграмму в виде двух верти-кальных «шин питания», между которыми располагают горизонтальныецепи, образованные контактами и обмотками реле. Количествоконтактов в цепи произвольно, реле одно.

Так в примере (рис. 37), если последовательно соединенныеконтакты замыкаются, то ток идет по цепи и реле Lamp включается.

При необходимости можно включить параллельно несколько реле,их последовательное включение не допускается.

В LD-диаграммах каждому контакту ставится в соответствиелогическая переменная, определяющая его состояние. Если контактзамкнут, то логическая переменная (например, дискретный сигнал«АВАР») имеет значение ИСТИНА. Если разомкнут – ЛОЖЬ. Имяпеременной пишется над контактом и фактически служит егоназванием. Так в примере Switch1 может иметь имя «больше Тмах»,Switch2– «больше Рмах» и т.п.

Последовательное соединение контактов или цепей равноценнооперации И. Параллельное соединение образует ИЛИ.

Цепь между «шинами» может быть либо замкнутой (ON), либоразомкнутой OFF. Это в свою очередь отражается на обмотке реле исоответственно на значении логической переменной (ИСТИНА/ЛОЖЬ).

111

Рис.37. LD программа и соответствие ее операционных символов ЕСКД

Приведенная на рис. 37 схема эквивалентна выражениюLamp:= (Switch1 OR Switch2) AND Switch3AND (( Switch4AND

Switch6) OR Switch5).

15. РАЗРАБОТКА ИНФОРМАЦИОННОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ

Схема информационных потоков в ИКСУ может быть представ-лена в виде, показанном на рис. 38.

112

Архив

ируе

мые дан

ные

Настр

ойки

архи

ваци

и

Рис.38. Схема информационных потоков в ИКСУ

Здесь выделены основные уровни хранения информации в ИКСУ.На верхнем уровне информация поступает из БД КИС и БД АСУ ТП.Эта информация структурируется наборами экранных форм АРМ.Экранные формы должны быть сориентированы на информационныепотребности конкретных пользователей (логистов, технологов, масте-

113

ров и т.п.). Информационная система сохраняет историю измененийтехнологических параметров для сигналов, с заранее определеннойдетальностью, например:

· все поступающие события – за 3 месяца;· сжатую историю – за 6 месяцев;· события – все в течение 6 месяцев.Сохранение данных в базе данных происходит при помощи

модуля истории. Данные, хранящиеся более 3 месяцев, прореживаютсядля обеспечения необходимой дискретности.

Буферная база данных между КИС и АСУ ТП является как прием-ником, запрашивающим данные от внешних систем, так и их пассивнымисточником. Можно сказать, что она выполняет роль маршрутизатораинформационных потоков от систем автоматики и телемеханики кграфическим АРМ-приложениям, системам коммерческого учета ипланирования производства КИС. При этом возникают общие длясистем хранения и обработки информационных данных задачи: выпол-нение функциональных операций; поддержание целостности и эквива-лентности данных, а также специализированные – взаимодействие сподсистемой информационного обмена и т.п.

Для решения этих задач на проектном этапе выполнения работшироко применяются модели данных. Цель построения модели заклю-чается в представлении данных в понятном виде. АСУ среднего размераможет насчитывать сотни, тысячи точек взаимодействия с техническимпроцессом. Для систематизации и уменьшения объема данных опроцессе в проекте необходимо описать природу соответствующейинформации. Обычно это измеряемые величины или бинарныевходные-выходные данные типа «включено/выключено» или «нор-ма/авария». База данных процесса придает однородность и структури-рованность хранимых данных.

Так проектируемая база данных для АСУ ТП должна содержатьструктуру для обработки, прежде всего, следующей информации:

· параметры всех датчиков и исполнительных механизмов;· параметры для расчета производных величин;· возможные события и соответствующие им реакции управляю-

щих воздействий.Для регуляризации этой информации в реляционной модели БД

используются таблицы и поля записи. Поля записей должна содержать:· код источника информации;· название/описание источника информации;· тип;

114

· адрес (канал/сообщение);· код события;· код аварии;· интервал выборки;· первичное (необработанное значение контролируемого пара-

метра);· преобразованное значение.

Для преобразования первичной информации от объектов с анало-говыми сигналами в рабочие значения необходимы дополнительныепараметры:

· масштабные коэффициенты;· единицы измерения;· минимальные/максимальные значения.

Эти поля в проекте должны быть сведены в таблицу типа табл. 10.

Таблица 10.Таблица и поля записей источника информации АСУ ТПИмя поля Значение Коментарийcode T439 Кодdescription Primary circuit

Temp.in

Описание (первичнаяцепь, входнаятемпература)

type AI Тип: аналоговый сигналaddress 7_1_221 АдресEvent code 0 Код событияAlarm code 3 Код аварийSample (sec0 30 Интервал выборкиRaw value 3228 Первичное значениеConverted value 78.8 Преобразованное

значение оСAlarm state yes Аварийное состояниеcoefficient 0.0244 Коэффициент

преобразованияunits оС Единица измеренияmin 50.0 МИН значениеmax 75.0 МАКС значение

В первой колонке таблицы указано имя поля. СУБД, применяемыев АСУ ТП, требуют, чтобы имя полей представлялось латинскими бук-вами. Каждое поле в зависимости от идентификатора имеет своезначение.

115

Код используется для однозначной идентификации объекта в БД.Он служит как ключ и указатель соответствующей записи.

Название (описание) – это мнемонический текст, который приме-няется для идентификации устройства при выводе на экран монитора.

Тип показывает, является ли объект входом или выходом иопределяет характер информации (аналоговая, дискретная, счетчик ит.п.).

Адрес. Объект должен быть привязан к определенному входномуканалу и позиции во входящих сообщениях от периферийныхустройств. Это может означать 7 – канал, 1 – устройство, 221 – точкаизмерения.

Код события показывает, инициирует ли рассматриваемый объ-ект запуск некоторой автоматизированной функции при изменениизначения.

Код аварии показывает, должно ли некоторое состояние пони-маться как аварийное. Код аварии структурируется для индикациистепени серьезности аварийной ситуации.

Аварийные сообщения могут быть просто предупреждениями илимогут указывать на нештатную ситуацию, требующую немедленноговнимания и реакции.

Интервал выборки, масштабные коэффициенты, предельные иаварийные значения необходимы для первичной обработки сигналов.

Для расчета коэффициента преобразования можно использоватьследующую методику. Если считать, что максимальное значениетемпературы равно 100 оС и этот сигнал преобразуется 12-разряднымАЦП, у которого 0 в двоичном исчислении соответствует 0 оС, а 100 оСсоответствует 4095, то коэффициент пересчета будет равен 100/4096 =0.0244.

Абстрактное описание и отделение результатов измерений отметодов, с помощью которых они получены, полезны в тех случаях,когда некоторые характеристики этих величин могут меняться. Врезультате нет необходимости модифицировать систему управления.Достаточно лишь переопределить параметры преобразования, храня-щиеся в БД.

Производные величины. Для любой АСУ ТП идеальной являетсяситуация когда все параметры технологического процесса можнонепосредственно измерять с помощью датчиков. На практике это частобывает затруднительным или просто невозможно измерять некоторыеиз необходимых переменных. Поэтому в АСУ ТП могут вычислятьсяпроизводные переменные на основе тех, которые измеряются непо-средственно. Как только поступают новые данные хотя бы для

116

нескольких измеряемых величин, производные величины необходимопересчитывать заново.

Доступ к информации, содержащейся в БД, выполняется с помо-щью трех основных операций, которые могут комбинироваться опера-циями выбора, проекции и сортировки. Операция по извлечениюинформации из БД называется запросом. Обычно для каждойконкретной ситуации интерес может представлять лишь оченьограниченное число выборок из БД. Поэтому заранее можно определитьнебольшой набор стандартных запросов. Такие запросы называютсяпротоколами (это обычные запросы, в которых предопределеныоперации проекции и сортировки и перед запуском требуется указатьтолько конкретные параметры). Примерами протоколов могут бытьаварийные запросы Они позволяют быстро фиксировать в специальномфайле журнале аварий с указанием времени события. Другим прото-колом является протокол технического обслуживания (замена изношен-ных инструментов, калибровка, контроль смазки и др.)

В общем случае основные этапы проектирования реляционнойбазы данных должны включать в себя:

· определение объектов (источников данных), которые должныбыть в базе данных;

· выявление связей между объектами;· определение основных свойств объектов;· определение отношений между таблицами базы данных, на

основе связей между объектами данных, содержащимися в них;· определение операций, выполняемых при создании и изменении

информации в таблицах, включая обеспечение целостностиданных;

· учет вопросов безопасности – какие полномочия и каким пользо-вателям предоставлять;

· разработка процедур создания резервных копий и восстановленияисходных файлов;

· представленный список позволяет составить представление о техдействиях, которые необходимо выполнить.Такое проектирование может осуществляться с использованием

методологии IDEF1х. При использовании этой методологии наначальной стадии проекта разрабатывается ERD-модель (диаграммазависимостей сущностей). Задачей этой модели является обзор требова-ний к информации ИКСУ, достаточной для начальной разработки ееинформационного обеспечения. Эта модель не являются оченьдетализированной (в нее включены только основные сущности), и

117

атрибуты представляются на концептуальном представлении. Однимсловом, ERD является презентационной моделью, удобной для обсуж-дения.

ERD-модель состоит из трех основных блоков: сущностей, атри-бутов и связей. Если рассматривать диаграмму как некий графическийязык, то можно заметить, что объекты являются существительными,атрибуты – прилагательными, а зависимости (связь, отношения) –глаголами этого языка. Построение модели данных в ERD-нотациизаключается в нахождении правильного набора существительных,глаголов и прилагательных и в правильном их сочетании.

Сущность изображается на ER-диаграмме (ППП MS Visio) в видепрямоугольника, в верхней части которого приводится ее название идалее следует список атрибутов. Ключевые атрибуты могут бытьвыделены подчеркиванием или иным способом. Названия сущностеймогут быть только в единственном числе, например, аналоговый каналввода данных измерения, рабочий центр, продукт и т.д. Это делаетсядля лучшей читаемости диаграммы. На рис. 39 представлена ER-диаграмма учета бобин (coil) проводов в кабельном производстве.

Рис.39. Пример ER модели БД в кабельном производствеСвязь – ассоциирование двух или более сущностей. Если бы

назначением базы данных было только хранение отдельных, не

118

связанных между собой данных, то ее структура могла бы быть оченьпростой. Однако одно из основных требований к организации базыданных – это обеспечение возможности отыскания одних сущностей позначениям других, для чего необходимо установить между нимиопределенные связи. А так как в реальных базах данных нередкосодержатся сотни или даже тысячи сущностей, то теоретически междуними может быть установлено более миллиона связей. Наличие такогомножества связей и определяет сложность моделей БД.

Взаимосвязи между таблицами являются жизненно важнымикомпонентами реляционных баз данных.

Эти связи создаются за счет использования общих ключевыхатрибутов, т. е. записи в одной таблице ссылаются на записи в другойтаблице. В ERD взаимосвязи отображены в виде линии между сущно-стями, входящими в модель. Связь между двумя сущностями такжевключает то, что факты одной сущности ссылаются или ассоциированыс фактами другой сущности.

Атрибуты, также как и сущности, должны быть четко определены.Используются те же правила – сравнивая объект с его определением, мыдолжны понять, подходит ли ему это определение. Определенияатрибутов, в общем случае, должны иметь такую же базовую структуру,как и определения сущностей. Определения должны, где только воз-можно, содержать правила, определяющие возможные значенияатрибутов. Правила для атрибутов сущности:

· каждый атрибут должен иметь уникальное имя;· сущность может обладать любым количеством атрибутов;· сущность может обладать любым количеством наследуемых

атрибутов, но наследуемый атрибут должен быть частьюпервичного ключа сущности-родителя;

· для каждого экземпляра сущности должно существовать значениекаждого его атрибута (правило необращения в нуль – Not Null);

· ни один из экземпляров сущности не может обладать более чемодним значением для ее атрибута.Кроме описания БД в проекте должны быть описаны массивы

документов. К входным документам и массивам относятся:· материалы анализа выполнения годового плана предприятия за

предыдущий год (поступает с ПЭО);· перспективный план развития предприятия;· план межотраслевых и ведомственных поставок на планируемый

год;· директивные документы;

119

· задания (поступают от вышестоящих организаций).Массивы нормативно-справочной информации содержат:- классификатор оборудования;- классификатор готовой продукции;- классификатор деталей и узлов собственного производства;- массив поставщиков;- производственные мощности предприятия;- подетальные и поиздельные нормы расхода материалов;- поиздельные нормы расхода комплектующих изделий;- массив конструктивной применяемости;- внутризаводские и оптовые цены на готовую продукцию;- подетально-операционные нормативы трудозатрат;- пооперационные нормы времени работы оборудования;- действующие тарифные ставки для рабочих с повременной опла-

той для рабочих-сдельщиков;- номенклатуру-ценник на сырье;- классификатор основных фондов;- нормы амортизационных отчислений.

В состав выходных массивов документов входят:- плановая потребность в производительных мощностях для групп

оборудования;- план производства валовой и товарной продукции в натуральном

и денежном выражении;- план реализации готовой продукции;- плановая численность основных производственных рабочих в

разрезе профессий;- плановый фонд заработной платы;- план по росту производительности труда;- план-заявка потребности в материалах и комплектующих изде-

лиях под годовую производственную программу;- нормативные калькуляции и нормативная себестоимость;- амортизационные отчисления и остаточная стоимость основных

фондов;- внутризаводские и оптовые цены на продукцию предприятия;- план по прибыли и рентабельности.

120

17. РАЗРАБОТКА ЭКРАННЫХ ФОРМ ИКСУ

Производство продукции приводится в действие общими планамипроизводства, которые затем спускаются на цеховой уровень, где поним составляются детальные графики работы технологического обору-дования, содержащие рабочие производственные задания, определяю-щие по времени технологические действия и события, возникающиепри их выполнении. Экранные формы управления технологическимипроцессами обычно представляются мнемосхемами той или инойдетализации. Мнемосхемы могут поддерживать функцию скроллинга.

В варианте дерева экранных форм (рис. 40) на уровне 1 осуществ-ляется авторизированный вход в ИКСУ. На уровне 2 определяютсязадания и требования по выполнению технологических процессов. Науровне 3 осуществляется конкретизация информации для отдельныхтехнологических (производственных) линий. Данные о состоянииоборудования и технологических процессов поступают в экранныеформы на уровнях 4 и 5. На этих уровнях осуществляется конкрети-зация заданий, контроль и анализ эффективности производства.

При навигации экранных форм должна обеспечиваться передачаинформации между уровнями с единой системой адресации. В общемслучае передаче подлежат следующие виды информации:

· оперативная информация о значениях технологических парамет-ров, состоянии, загруженности оборудования;

· оперативная информация о заданиях, планах производства;· оперативная информация об аварийных событиях;· справочные сведения (ТУ, НД и др.).

Информация об оперативных значениях передаются в соответ-ствии со спецификацией OPC, причем передаче подлежат:

· канонические свойства OPC тега (имя тега, тип, значение, меткавремени, достоверность);

· дополнительные свойства (максимально допустимое значение,минимально допустимое значение, мигание параметра и т.д.);

· определяемые пользователем свойства.Канонические свойства передаются всегда, дополнительные и

определяемые пользователем – по требованию (использованию в под-системе отображения или иных системах и программах).

Подсистема межуровневой передачи данных может подключатьсячерез ЛВС напрямую к нижестоящим уровням с использованием прото-кола TCP/IP. Цикл опроса получения информации настраиваетсяадминистратором ИКСУ. В ИКСУ поддерживается функция передачи

121

информации на вышестоящий уровень как по изменениям, так и позапросам.

Подсистема передачи информации использует имена тегов длянахождения соответствующего источника информации.

В системе используется единая система именования технологи-ческих объектов, основанная на административной подчиненности иархитектуре технологических средств.

Система именования опирается на административную и техноло-гическую иерархии и не должна зависеть от архитектуры и составатехнических средств, используемых для доставки информации.

Рис.40. Дерево экранных форм ИКСУВ качестве примера на приведенном на рисунке (дереве экранных

форм), каждая из форм позволяет выполнять следующие действия.

122

Форма № 1. Авторизация в системе. При входе требуется вводпароля. Форма доступна из любой другой формы. Иконка блокировкирасположена в правом верхнем углу. Изменение пользователя влечет засобой изменение функциональности АРМ и прав доступа к опреде-ленным функциям.

Формы № 2, 2а, 2б. Сводные состояния оборудования. Данные вформы поступают в реальном времени. Сводные состояния оборудо-вания доступны в виде экранных форм по оборудованию, находящемусяв ремонте и(или) в работе, в зависимости от функциональности АРМ.На экран может выводиться список оборудования и индикация состоя-ния. Каждый тип индикатора занимает определенное положение погоризонтали, облегчая чтение общей картины состояния оборудования.Заголовки групп оборудования имеют также индикацию общего состоя-ния, которое используется в АРМ руководителя для укрупненногоконтроля работоспособности оборудования.

Форма № 3. Сводная показателей производства. В отличие отформы № 2 она содержит накопительные значения по состояниям. Наэтом экране доступен также режим просмотра состояний за преды-дущие дни.

Форма № 4. График ремонтов. На этом экране представляетсядетализация конкретного оборудования, выбранного в форме № 2. Онапозволяет производить необходимые записи для планирования новогоремонта и просмотра предыдущих ремонтов. Генерирует специальныйотчет-наряд для персонала, который будет производить ремонт.

Форма № 5. Свойства конкретной линии. На этом экране такжепредставляется детализация конкретного оборудования, выбранного вформе № 2. Эта форма показывает в режиме реального времени состоя-ние оборудования. Для нее предусмотрены закладки (всплывающиеокна), позволяющие просматривать данные в различных видах. Онапозволяет управлять оборудованием. Свойства данной формы различныв зависимости от прав пользователя.

Форма № 6. Анализ статистических данных. Показывает статис-тику агрегированных данных в различных аналитических разрезах повсем линиям, любым группам датчиков и т.п.

Форма № 7. Статистические показатели линии. Используетсядля детализации конкретного оборудования, выбранного в форме № 2.Показывает статистику агрегированных данных в различных аналити-ческих разрезах.

Форма № 8. Свойства задания на производство. Выводит дета-лизацию задания конкретной линии. Она позволяет в зависимости от

123

разрешений пользователя вмешиваться в порядок выполнения техноло-гического процесса.

Форма № 9. Планирование загрузки оборудования. Выводитдетализацию загрузки конкретного оборудования, в разрезе месячногокалендаря.

Форма № 10. Сводная показателей производства. Выводит вобзорном виде общие необходимые и достаточные показатели произ-водства, необходимые руководству для оперативной оценки работыпроизводства в реальном времени.

Форма № 11. Настройка сводных показателей. Позволяетнастроить стратегию систематизации данных, которые будут визуализи-роваться в форме № 10.

Форма № 12. Контроль графика заказов, планирования. Позволяетруководителю просматривать и производить изменение в сетевомграфике планирования заказов производства. Данные выводятся с по-мощью диаграммы Ганта, а также в табличном виде.

Форма №13 Контроль полуфабрикатов. Визуализирует сводноесостояние по складским запасам, а также предоставлять детальныйотчет для произведения сверки.

Экранные формы могут быть подготовлены как с помощью редак-тора экранных форм выбранной SCADA, так и с помощью графическихредакторов. При разработке экранных форм следует руководствоватьсяотраслевыми требованиями. Следует обратить внимание на формат окнаи цвета объектов мнемосхемы. Для динамических и двухпозиционныхуправлений в пояснительной записке необходимо описывать динамикуих изменений.

18. ВЫБОР ИНТЕГРАЦИОННОЙ ПЛАТФОРМЫ САПР И АСУ

Современные САПР-технологии обеспечивают коллективныйрежим работы над проектом, когда одновременно большое числоспециалистов работает над различными частями и стадиями проекта.Основное отличие этих технологий разработки изделий машино-строения от традиционных заключается в том, что здесь в качествеглавного результата конструирования и проектирования изделиявыступает единая трёхмерная геометрическая модель объекта, а некомплект чертежей на бумажных носителях и набор спецификаций. Приэтом чертежи и спецификации также могут существовать как в видеэлектронных копий на машинных носителях, так и в виде твёрдой копии

124

на бумаге, но они есть лишь слепок или копия с эталона. Интенсивноеразвитие компьютерных технологий привело к возможности совмеще-ния этапов разработки и подготовки производства изделия. Это дости-гается следующими возможностями:

· наличием единой трехмерной геометрической модели;· наличием развитого аппарата параметризации как при построении

моделей отдельных деталей, так и при создании сборок;· возможностью коллективной работы над данными проекта;· вспомогательным характером этапа выпуска документации.

Современные программные средства САПР легко настраиваются наимеющийся станочный парк. Например, модуль создания управляющихпрограмм для станков с ЧПУ позволяет создавать программы длялюбых станков, так как содержит встроенный генератор постпроцес-соров. Он может легко адаптироваться к принятым на предприятиитехнологическим схемам, делая традиционный процесс менее трудо-емким и более упорядоченным за счет связи с полной геометрическоймоделью.

Такие интегрированные САПР состоят из значительного количе--ства (десятки и сотни) достаточно сложных взаимосвязанныхпрограммных продуктов, решающих следующие задачи:

· управление данными проекта;· управление коллективной работой;· геометрическое моделирование;· выполнение инженерного анализа;· изготовление комплекта чертежей;· подготовка производства;· выпуск сопутствующей документации.

Естественно, что эти программные комплексы являются оченьдорогостоящими, и поэтому предприятие вынуждено останавливатьсяна какой-либо одной линии программных продуктов, используякомпоненты конкурирующих технологий лишь для каких-то специфи-ческих целей, где их применение особенно эффективно. В соответствиис выбранным программным обеспечением и решаемыми задачамиподбираются аппаратные средства. Как правило, в современных усло-виях это либо достаточно мощные персональные ЭВМ на базе много-процессорных Intel- компьютерах, либо графические рабочие станциина RISC-процессорах (HP, SGI, SUN, DEC).

Одним из эффективных решений в данном направлении являетсятехнология Jupiter фирмы Intergraph, использующая, так называемое,композиционное программное обеспечение. Композиционное програм-

125

мное обеспечение – это просто система объединения программныхмодулей различного назначения и различных производителей.

Стандарт, на основе которого фирма Intergraph развивает компо-ненты программного обеспечения нового поколения – это Microsoft’sComponent Object Model (COM), который определяет двоичныйстандарт для создания объектов и позволяет приложениям связыватьсядруг с другом. Конечные пользователи видят результат как объект OLE(Object Linking and Embedding) или OLE4DM (OLE for Design andModeling Applications). Последний является стандартом, которыйразработан фирмой Intergraph и представляет собой расширение OLEдля работы с данными CAD/CAE/CAM и GIS.

Спецификация стандарта OLE4DM позволяет разработчикам про-граммного обеспечения CAD/CAE/CAM и GIS создать такое програм-мное обеспечение, которое помогает пользователям связывать и вклю-чать техническую графическую информацию в 2- и 3-мерные докумен-ты. При использовании OLE4DM техническая информация становитсяболее доступной, чем когда-либо прежде, так как "живые" геометрии-ческие объекты интегрируются в файлы приложений и документы.

Технологии COM и OLE освобождают разработчиков от необходи-мости использовать общий формат данных в качестве основы дляинтеграции приложений. Вместо этого разработчики могут объединятьчерез стандарты связи COM любые OLE-приложения – деловые,технические или производственные. Это позволяет техническимспециалистам работать с объектами точно так же, как они работают втрадиционных системах автоматизированного проектирования, но сомногими дополнительными преимуществами (рис. 41).

Системаоформления

чертежей

ГАП JupiterИнтранет

Система выпускапроектной и

конструкторско-технологической

документации

БДдокументов

Интегрированнаясистема САПР

БД САПР

Система 3D-моделирования

Интранет

АСУ ТП

АСУ ПП

Рис. 41. Интеграция САПР и АСУПриложения, созданные на основе технологии Jupiter – это естест-

венные Windows-приложения, ориентированные на конкретную пред-метную область («говорят на профессиональном языке пользователя») и

126

независимые от традиционных систем CAD, и что очень важно, онипредназначены не для замены, а для расширения возможностейсуществующих технологий.

Основные преимущества, которые предоставляет конечномупользователю стандартом фирмы Intergraph [], это:

· возможность приобретения специализированных решений дляконкретных задач, которые не имеют избыточных (и частосовершенно не используемых) команд;

· новый уровень простоты в использовании, благодаря интерфейсуWindows;

· сохранение инвестиций, уже сделанных в существующие данные,обучение, аппаратные средства, программное обеспечение;

· возможность постепенного приобретения необходимых приложе-ний;

· работа с программным обеспечением, которое говорит на профес-сиональном языке, а не на языке чертежа;

· повышение производительности, благодаря использованию объек-тов, которые функционируют как реальные 3-мерные объекты, ане элементы чертежа;

· улучшение характеристик программного обеспечения, потому чтооно непосредственно использует преимущество аппаратныхсредств и ресурсов операционной системы;

· возможность использования стандартных средств разработки инастройки, таких как Visual Basic или Visual C++, вместо необхо-димости использовать специализированные средства систем CADтипа MDL или AutoLisp;

· улучшение и качества проекта, благодаря автоматизациидокументооборота.

127

19. ВЫБОР ЭЛЕКТРОПРИВОДНЫХ СРЕДСТВ АСУ

Для наиболее полного решения задачи комплекснойавтоматизации технологических и производственных процессовсовременные роботизированные участки и гибкие автоматизированныепроизводства (ГАП) требуют модульного и однотипного выполненияэлементов используемого электропривода при его максимальнойконструктивной и функциональной интеграции с другимикомпонентами технологического оборудования.

Современный электропривод представляет собой конструктивноеединство электромеханического преобразователя энергии (двигателя),силового преобразователя и устройства управления. Он обеспечиваетпреобразование электрической энергии в механическую в соответствиис алгоритмом работы технологической установки. Сфера примененияэлектрического привода в промышленности, на транспорте и в бытупостоянно расширяется. В настоящее время уже более 60 % всейвырабатываемой в мире электрической энергии потребляетсяэлектрическими двигателями. Следовательно, эффективностьэнергосберегающих технологий в значительной мере определяетсяэффективностью электропривода. Разработка высокопроизводительных,компактных и экономичных систем привода является приоритетнымнаправлением развития современной техники.

Рост степени интеграции в микропроцессорной технике и переходот микропроцессоров к микроконтроллерам с встроенным наборомспециализированных периферийных устройств, сделали необратимойтенденцию массовой замены аналоговых систем управления приводамина системы прямого цифрового управления.

Под прямым цифровым управлением понимается не тольконепосредственное управление от микроконтроллера каждым ключомсилового преобразователя (инвертора и управляемого выпрямителя,если он есть), но и обеспечение возможности прямого ввода в микро-контроллер сигналов различных обратных связей (независимо от типасигнала: дискретный, аналоговый или импульсный) с последующейпрограммно-аппаратной обработкой внутри микроконтроллера. Такимобразом, система прямого цифрового управления ориентирована наотказ от значительного числа дополнительных интерфейсных плат исоздание одноплатных контроллеров управления приводами. В пределевстроенная система управления проектируется как однокристальная ивместе с силовым преобразователем и исполнительным двигателем

128

конструктивно интегрируется в одно целое, так называемый,мехатронный модуль движения.

В автоматических системах управления и регулирования,промышленных роботах, станках с числовым программнымуправлением (ЧПУ), элементах робототехнических комплексов,различных технологических устройств значительное место занимаютэлектрические приводы малой мощности постоянного и переменноготока.

При высокой степени определенности технологическогопроцесса электропривод может строиться по замкнутой илиразомкнутой структуре.

Основой любого электропривода является электрическийдвигатель. Исполнительный механизм привода должен преодолеватьимеющуюся на выходном валу нагрузку и развивать скорости иускорения, обеспечивающий слежение за входным управляющимвоздействием.

Традиционный подход к созданию любой системыпредусматривает последовательное выполнение ряда стадий еепроектирования и изготовления: разработку технического задания,эскизное и техническое проектирование, создание опытного(натурного) образца и апробацию на нем заложенных решений и т.д.

Однако для современных сложных электромеханических систем,в том числе и электрических приводов, такой путь становитсянеэффективным из-за больших сроков и денежных затрат. Решениепроблемы находят в выборе принципиальных решений на этапеструктурного (системного) анализа, который предшествуетфизическому созданию системы и выполняется на базе компьютерныхсредств с применением математических моделей [15].

Для большинства массовых применений приводов (насосы,вентиляторы, конвейеры, компрессоры и т.д.) требуется относительнонебольшой диапазон регулирования скорости (до 1:10, 1:20) иотносительно низкое быстродействие. При этом целесообразноиспользовать классические структуры скалярного управления. Переходк широко-диапазонным (до 1:10000), быстродействующим приводамстанков, роботов и транспортных средств, требует применения болеесложных структур векторного управления. Доля таких приводовсоставляет сейчас около 10 % от общего числа и постоянно растет.

В последнее время на базе систем векторного управленияразработан ряд приводов с прямым цифровым управлением моментом.Отличительной особенностью этих решений является предельновысокое быстродействие контуров тока, реализованных, как правило, на

129

базе цифровых релейных регуляторов или регуляторов, работающих напринципах нечеткой логики (фаззи-логики). Системы прямогоцифрового управления моментом ориентированы в первую очередь натранспорт, на использование в кранах, лифтах, робототехнике.

Усложнение структур управления приводами потребовало резкогоувеличения производительности центрального процессора и перехода кспециализированным процессорам с объектно-ориентированнойсистемой команд, адаптированной к решению задач цифровогорегулирования в реальном времени. Ряд фирм (Intel, Texas Instruments,Analog Devices и др.) выпустили на рынок новые микроконтроллеры дляуправления двигателями (из серии Motor Control) на базе процессоровдля обработки сигналов DSP-микроконтроллеры. Они не толькообеспечивают требуемую производительность центрального процессора(более 20 млн.оп./сек.), но и содержат ряд встроенных периферийныхустройств, предназначенных для оптимального сопряженияконтроллера с инверторами и датчиками обратных связей. Средивстроенной периферии особое место занимают универсальныегенераторы периодических сигналов, обеспечивающие самыесовременные алгоритмы управления инверторами, в частности,алгоритмы векторной широтно-импульсной модуляции [16].

Рост вычислительных возможностей встроенных системуправления приводами сопровождается расширением их функций.Кроме прямого цифрового управления силовым преобразователемреализуются дополнительные функции поддержки интерфейса спользователем (через пульт оперативного управления), а такжеуправления технологическим процессом.

В любой электромеханической системе имеется энергетическийканал и канал управления. В энергетическом канале, элементамикоторого являются источник питания, промежуточный преобразовательэнергии и исполнительный механизм, происходит преобразованиеэнергии источника питания в механическую энергию движениявыходного вала привода. Назначение канала управления состоит вобеспечении необходимого управления потоком энергии вэнергетическом канале системы. Управление представляет собойпроцесс сбора, передачи и переработки информации. От элементовсистемы к управляющим устройствам поступает информация,характеризующая состояние элементов системы. Кроме того, поступаетинформация от вышестоящих органов управления и воздействийвнешней среды. Управляющие устройства перерабатывают всюпоступающую к ним информацию и в результате этой переработки

130

синтезируют управляющие команды, которые изменяют состояние илирежимы функционирования элементов системы.

Наличие в электроприводе двух каналов позволяет разбить надве группы почти все задачи, решаемые в процессе проектированияэлектромеханических систем.

Требования, предъявляемые к электроприводам, определяютсядля какого движения электропривода: главного движения, подачи иливспомогательного, так как именно это определяет мощность, момент испособ регулирования частоты вращения, диапазон регулирования,плавность регулирования, требования к динамическимхарактеристикам. Требования снижения шероховатости и повышенияточности при механической обработке и позиционировании определяюттребования по увеличению чувствительности и быстродействияинформационно-измерительной системы и системы управления.

Проектирование системы управления электроприводом состоитиз определения преобразовательной части, по выбранномуэлектродвигателю, выбора трансформатора и коммутирующейаппаратуры, выбора схемы преобразователя и расчета его элементов,синтеза системы управления. Выбор перечисленных элементовпроизводится, как правило, по каталогам.

Основные тенденцииАнализ продукции ведущих мировых производителей систем

привода и материалов опубликованных научных исследований в этойобласти позволяет отметить следующие ярко выраженные тенденцииразвития электропривода [16]:· Неуклонно снижается доля систем привода с двигателями

постоянного тока и увеличивается доля систем привода сдвигателями переменного тока. Это связано с низкойнадежностью механического коллектора и более высокойстоимостью коллекторных двигателей постоянного тока посравнению с двигателями переменного тока. По прогнозамспециалистов в начале следующего века доля приводовпостоянного тока сократится до 10% от общего числа приводов.

· Преимущественное применение в настоящее время имеютпривода с короткозамкнутыми асинхронными двигателями.Большинство таких приводов (около 80%) нерегулируемые. Всвязи с резким удешевлением статических преобразователейчастоты доля частотно-регулируемых асинхронныхэлектроприводов быстро увеличивается.

· Естественной альтернативой коллекторным приводампостоянного тока являются привода с вентильными, т. е.

131

электронно-коммутируемыми двигателями. В качествеисполнительных бесколлекторных двигателей постоянного тока(БДПТ) преимущественное применение получили синхронныедвигатели с возбуждением от постоянных магнитов или сэлектромагнитным возбуждением (для больших мощностей). Этоттип привода наиболее перспективен для станкостроения иробототехники, однако, является самым дорогостоящим.Некоторого снижения стоимости можно добиться прииспользовании синхронного реактивного двигателя в качествеисполнительного.

· Все шире используется привод на основе вентильно-индукторногодвигателя (ВИД). Двигатели этого типа просты в изготовлении,технологичны и дешевы. Они имеют пассивный ферромагнитныйротор без каких-либо обмоток или магнитов. Вместе с тем,высокие потребительские свойства привода могут бытьобеспечены только при применении мощной микропроцессорнойсистемы управления в сочетании с современной силовойэлектроникой. Усилия многих разработчиков в миресконцентрированы в этой области. Для типовых примененийперспективны индукторные двигатели с самовозбуждением, а длятяговых приводов индукторные двигатели с независимымвозбуждением со стороны статора. В последнем случаепоявляется возможность двухзонного регулирования скорости поаналогии с обычными приводами постоянного тока.Наиболее простыми по устройству и надежными в эксплуатации

являются асинхронные электродвигатели с короткозамкнутым ротором.Их масса в 1,5 - 2 раза меньше массы двигателя постоянного тока той жемощности. Однако система регулирования частоты вращениязначительно сложнее, чем в электродвигателях постоянного тока ивентильных электродвигателях, так как требует одновременногорегулирования амплитуды и частоты напряжения по определенномузакону. Асинхронный электродвигатель допускает возможностьрегулирования с постоянной мощностью, что предопределяетцелесообразность его применения в приводах главного движения.

В маломощных системах автоматики с цифровым управлениемцелесообразно использовать шаговые электродвигатели.

При выборе типа электродвигателя необходимо учитыватьследующие факторы:

- ограничения, предопределяемые источником энергии и типомпреобразователя;

132

- структуру и тип системы управления, а также требования к еестатическим и динамическим характеристикам;

- энергетические возможности электродвигателей выбираемоготипа, так как серийные электродвигатели можно использовать лишь вопределенном диапазоне мощностей, скоростей и ускорений;

- параметры, характеризующие внешние условия - механические,климатические, степени защиты и т.д.

- габаритные и весовые ограничения, эксплуатационныетребования, надежность, экономичность;

Затем проводят расчет мощности электродвигателя и его выбор покаталогам. Выбор электродвигателя проводится в несколько этапов.

Выбор электродвигателя.Выбор электродвигателя для электропривода различных

электромеханических систем является одним из основных этаповпроектирования системы. Это объясняется тем, что двигатель, с однойстороны, определяет тип, параметры и мощность предшествующихэлементов системы: преобразователя, трансформатора ипускорегулирующей аппаратуры. С другой стороны, именно отдвигателя зависят динамические качества системы, которые он долженобеспечить. Никакая система управления не может создать требуемыймомент, частоту вращения, ускорение, если они не обеспеченыэлектродвигателем. Кроме обеспечения динамических свойствэлектропривода при выборе двигателя следует учитывать диапазонрегулирования скорости, вид требуемой механической характеристики,частоты включений приводного механизма, параметры окружающейсреды. В зависимости от области применения электромеханическиесистемы или объекты действия электроприводов подразделяют наназемные, морские, авиационные, космические или промышленные, совсеми вытекающими из этого особенностями [15].

Выбор типа электродвигателя. Двигатель выбирают последующим показателям: роду тока, номинальному напряжению,мощности (или моменту), частоте вращения, жесткости механическойхарактеристики, регулировочным свойствам, экономическимпоказателям, условиям эксплуатации. Стремятся выбратьэлектродвигатель наиболее простой в управлении, надежный, имеющийнаименьшую массу, габариты и стоимость. Вместе с темэлектродвигатель должен обеспечить выполнение всех функцийсистемы.

Предварительный выбор электродвигателя. Предварительныйрасчет мощности электродвигателя для первого шага последовательныхприближений осуществляется с помощью следующей зависимости

133

мехэквстзуред

мехмехред

дв МkkМP W××××=W××=11

hh (1)

где Mмех , W мех – заданные момент и частота вращения механизма, kу –коэффициент, учитывающий необходимость создания ускорений, kз –коэффициент запаса, учитывающий возможность работыэлектродвигателя с повышенным моментом нагрузки, Mст.экв –эквивалентный момент нагрузки, определяемый по диаграмме нагрузки,hред – коэффициент полезного действия передаточного механизма.Рекомендуется принимать: kу = 1,2 – 2,5; kз = 1,1 – 1,3; hред = 0,8 – 0,96.Часто принимают kуkз = 2. Считают, что система получит оптимальноеускорение в том случае, когда на валу для преодоления моментанагрузки используется половина вращающего момента двигателя, авторая половина затрачивается на преодоление момента инерции роторас редуктором и нагрузкой:

jjстц

эквст tМt

М ××= å 21, (2)

где Мст.j – момент нагрузки на j-м участке нагрузочной диаграммы, tj –длительность j-го участка нагрузочной диаграммы, tц – длительностьцикла нагрузочной диаграммы.Пример нагрузочной диаграммы представлен на рис. 42.

Рис. 42

По таблицам Электротехнического справочника, Справочника поэлементам автоматического регулирования, Справочника поэлектрическим машинам или по заводским проспектам выбираетсяэлектродвигатель в первом приближении и фиксируется еготехнические данные: мощность, номинальный и пусковой моменты,частоту вращения, момент инерции ротора, массу.

134

Уточненный выбор электродвигателя. Выбрав по таблицамэлектродвигатель в первом приближении, сравниваем его техническиеданные с требуемыми для привода механизма. Практически всегдачастота вращения электродвигателя оказывается во много раз большечастоты вращения вала механизма. Находим передаточное числомеханического редуктора

iред = Wдв / W мех .

По каталожным данным выбираем тип редуктора и уточняем iред иhред. Необходимо помнить, что механическая передача имеет удельныймомент на один – два порядка выше, а волновые передачи на трипорядка выше, чем у электродвигателя. Причем, изменениепередаточного отношения механической передачи в несколько раз малоизменяет массу и габариты редуктора. В то же время высокоскоростныеэлектродвигатели имеют меньшую массу. Поэтому критериемоптимальности выбора электродвигателя является не максимумудельного момента, а максимум удельной мощности.Находим уточненное значение требуемого момента вращенияэлектродвигателя

22

2

2мех

2

эквстредредреддв

редредред

iJJiJ

iММ ××÷

÷ø

öççè

æ¢+++÷

÷ø

öççè

æ

×= e

h , (3)

где Jмех , Jдв – момент инерции вращающихся частей механизма идвигателя, J’ред – момент инерции промежуточной ступени редуктора,приведенный к валу электродвигателя, eмех – допустимое ускорениевала нагрузки. Обычно принимают J’ред = 0,05 – 0,25 Jдв .Иногда рекомендуется находить требуемое значение моментаэлектродвигателя как

редреддвредредред

JJiJ

iММ e

h×÷

÷ø

öççè

æ¢+++

×= 2

мехэквст . (4)

Номинальный момент электродвигателя не должен быть меньшенайденного по (3). Допускается превышение номинального момента надрасчетным по (3) в 1,15 – 1,4 раза. При больших расхожденияхтребуется выбор по таблицам другого электродвигателя.

Выбранный электродвигатель проверяется на перегрузочнуюспособность, по условиям пуска, по нагреву. В системахавтоматического регулирования, электроприводах роботов и станков сЧПУ электродвигатели работают в кратковременном и повторно-

135

кратковременном режиме. В кратковременном режиме нагрев двигателяне лимитирует его мощности. При повторно-кратковременном режимемомент электродвигателя должен быть больше или равен моменту,определяемому из условий тепловых потерь.

Особенности выбора электродвигателя промышленногоробота. В процессе работы вследствие изменения конфигурацииманипулятора, рис. 43, может сильно изменяться момент нагрузки навалу электродвигателя.

Рис. 43Поэтому электродвигатель должен иметь хорошую

перегрузочную способность, а схема управления должна обеспечитьстабилизацию частоты вращения. С этой точки зрения целесообразноиспользовать электродвигатели постоянного тока или вентильныеэлектродвигатели. Изменение момента инерции нагрузки, связанное сизменением конфигурации манипулятора, предъявляет жесткиетребования к динамическим характеристикам электродвигателей.Наряду с электродвигателями классического исполнения находятприменение двигатели с полым якорем и с дисковым якорем.

При работе промышленного робота недопустимы удары рукиробота по обслуживаемому оборудованию. Это требует движенияпривода без перерегулирования, чтобы при подходе руки робота кзаданному положению происходило торможение двигателя и взаданном положении угловая скорость двигателя была равна нулю.

Следует учесть параллельную работу несколькихпреобразователей при контурном управлении роботом.Коммутационные процессы в преобразователе малой мощности невлияют на работу других более мощных преобразователей, тогда каккоммутационные процессы мощного преобразователя будут оказыватьвлияние на работу маломощного электропривода и это необходимоучитывать.

136

Особенности выбора электродвигателей привода подачстанков. Рассмотрим расчет требуемой мощности двигателя длядлительного режима работы. Кинематическая схема привода подачистанка представлена на рис. 44.

Рис.44. Кинематическая схема привода:1– ходовой винт, 2 – гайка, 3 – стол, 4 – направляющие

Усилие подачи по управляемой осиFп = kрFр + mFNS + Fн, (5)

где Fр – усилие резания вдоль оси, kр - коэффициент запаса (kр = 1,0 –1,5), FNS – сумма нормальных сил, действующих на направляющие, m –коэффициент трения, Fн – сила от предварительного натяга, не учтеннаяв FNS.

Мощность, приложенная к исполнительному механизму в режимерезания

Рмх = Fп vраб, (6)где vраб – максимальная скорость рабочей подачи.Мощность, приложенная к исполнительному механизму в режиме

движения на быстром ходуРмх = (mFNS + Fн) vmax, (7)

где vmax – скорость быстрого хода.Для предварительного выбора типа электродвигателя необходимо

знать тип механической передачи. В станках с ЧПУ при длинеперемещения меньше 3–4 м используется передача винт – гайкакачения, имеющая КПД в пределах 0,85–0,95. При больших длинахперемещения используется передача рейка – шестерня с суммарнымКПД 0,8–0,9.

Предварительный выбор электродвигателя производится изусловия

Рном > Рмх /h. (8)

137

Общее передаточное число между исполнительным механизмом идвигателем для передачи винт – гайка качения равно

ip = 2 pvmax /(tв wдв), (9)где tв – шаг винта, wдв – угловая частота вращения валаэлектродвигателя.

Для передачи рейка – шестерняip = vmax /(pDшwдв), (10)

где Dш – диаметр выходной шестерни.Особенности выбора шагового электродвигателя. При

проектировании дискретного электропривода тип шаговогоэлектродвигателя выбирается по величине максимальногосинхронизирующего момента

Mmax ³ 2,5 Мст.н / iредhред. (11)

Передаточное отношение редуктора выбирается из условия

a/ iред £ q , (12)

где a – шаг двигателя, q – статическая погрешность позиционирования.Выбор конструктивного исполнения электродвигателя. При

выборе конструктивного исполнения двигателя прежде всегонеобходимо учесть условия его эксплуатации, т.е. климатическиефакторы, факторы пожаро- и взрывобезопасности. Необходимо учестьконструктивное исполнение двигателя по способу монтажа,исполнению конца вала.

Выбор редуктора.Редуктор электромеханической системы кинематически связывает

между собой электродвигатель, объект управления и датчики.Кинематические схемы редукторов и механических передач следящихсистем очень разнообразны. Наиболее широко применяются редукторыс цилиндрическими зубчатыми колесами. Передаточные отношенияредуктора определяются при выборе электродвигателя и датчиков,связанных с редуктором. Имеющие место кинематические погрешности,люфт и трение определяют свойства редуктора как элемента следящейсистемы. Наряду с цилиндрическими используют червячные, винтовые,реечные и цепные передачи. Динамические возможности следящейсистемы с червячным редуктором невысокие, что объясняетсясравнительно большим люфтом червячной пары, однако, она обладаетсвойством самоторможения, что важно для вращательных координат снеуравновешенным статическим моментом. В последние годы получилиразвитие и применяются планетарные и волновые передачи, которые

138

при больших передаточных отношениях компактнее цилиндрических иимеют высокий КПД, хорошую жесткость и безлюфтовость.Преимущество волновых редукторов в большом передаточномотношении в одной паре. Волновые редукторы находят широкоеприменение в робототехнике.

Когда в приводе значительную роль играют динамическиенагрузки, имеется возможность оптимизации выбора передаточногочисла редуктора. При увеличении передаточного числа уменьшаетсяприведенный к валу электродвигателя момент инерции механизма и,следовательно, уменьшается время разгона ЭМС до номинальныхоборотов. Однако при этом уменьшается номинальная скоростьустановившегося движения. При уменьшении значения передаточногочисла редуктора растет установившееся значение частоты вращения,однако, время разгона и торможения увеличивается. В литературе [15]дается следующая зависимость для выбора оптимального iред, исходя изминимального времени выполнения перемещения по координате:

3

2

2 реддвред М

Ji

h××å×W

=

или

дв

мех

реддв

мех

дв

мехред J

JМ

МММi

×+÷

÷ø

öççè

æ

×+=

1,1

2

пп h.

Упрощенное построение скоростных диаграммПри рассмотрении этого вопроса учитываем только механический

переходный процесс. Для простоты анализа будем считать, что электро-двигатель имеет постоянные во времени нагрузки: статическую М’

ст =const и динамическую М’

дин = J’S eдв = const, где eдв = dW / dt. Этиусловия, как правило, справедливы для промышленных роботов истанков с ЧПУ.

Работа электродвигателя при ограничении ускорений. Упривода оптимального быстродействия процесс отработкиуправляющего воздействия совершается в два этапа: на первом – разгондвигателя с ускорением eдв1, на втором – торможение двигателя сускорением eдв2. Максимальное ускорение определяется выбороммаксимального вращающего момента двигателя при заданномстатическом моменте нагрузки и моменте инерции системы.Естественно, что максимальное ускорение не должно превышатьдопустимое для механизма ускорение

139

eдв max <eмех доп iред.

Уравнение движения ротора

М = М’ст + J’S eдв. (13)

Обозначим k м = М’ст / М. Рекомендуется иметь k м @ 0,5 с тем,чтобы процесс шел с достаточным ускорением. Получаем предельныеускорения:- при разгоне

eдв1 = М(1 - k м)/ J’S; (14)- при торможении

eдв2 = - М(1 + k м)/ J’S. (15)Диаграмма процесса отработки заданного угла представлена на

рис. 45.

Рис. 45

140

За время разгона t1 частота вращения электродвигателя достигаетзначения W1= eдв1 t1 . Очевидно, что W1 должна быть меньшемаксимально допустимой из условия Wmax £ Wмех доп iред.

Работа электродвигателя при ограничении ускорений ичастоты вращения. Особенностью этого режима работы является то,что часть периода управления tпс двигатель работает с постояннойчастотой вращения Wmax = Wмех доп iред (рис. 46).

Рис. 46

При постоянной частоте вращения момент вращения двигателяравен моменту сопротивления механизма (нагрузки), а нарастание углаj идет по линейному закону.

Тепловые режимы элементов энергетического канала.Температура нагрева элемента ЭМС зависит как от потерь

энергии в элементе, так и от условий охлаждения. Процесс нагрева

141

электродвигателя, преобразователя, трансформатора при неизменнойнагрузке, а, следовательно, теплоте (потерях), выделяемой в единицувремени, описывается дифференциальным уравнением

At dt + Cdt = Qdt, (16)

где A – теплопередача от элемента окружающей среде, калл/( °c,сек); С – теплоемкость массы элемента, калл/ °c; Q – тепловые потери вэлементе, кал/ c; t – температура перегрева (разность температурэлемента и окружающей среды), °c.

Таким образом, первое слагаемое (18) характеризует количествоотдаваемого тепла, второе – поглощаемого тепла, правая частьуравнения – количество вырабатываемого тепла. Разделим все членыуравнения (18) на Adt и примем следующие обозначения: Тт = С/A –постоянная времени нагрева, сек; tуст = Q/A – установившаяся разностьтемператур элемента и среды. Тогда получаем

Тт dt /dt +t = tуст. (17)

Решение (19) дает изменение температуры двигателя во времени

t =tуст (1-exp (-t / Тт )). (18)

Кривые нагрева силового элемента электромеханической системыпри различных Q представлены на рис. 47. Очевидно, что при Q< Qном

элемент системы работает с недогрузкой, а при Q > Qном время работыэлемента системы должно быть ограничено tдоп .

Рис.47

142

При отключении силового элемента от сети Q = 0, идетохлаждение элемента. Дифференциальное уравнение процессаохлаждения имеет вид

A´t dt + Cdt = 0, (19)

где A´ – теплопередача неподвижного объекта. Соответственно Т´т =

С/A´ – постоянная времени охлаждения. В зависимости от системыохлаждения Т´

т = (0,25–0,95) Тт .Изменение температуры элемента при охлаждении описывается

зависимостьюt = tmax exp (-t / Т’т ), (20)

где tmax – достигнутое значение перегрева элемента при нагревании.Если известна продолжительность работы двигателя при той или

иной нагрузке и длительность пауз, то можно построить кривуюизменения температуры элемента.

Тепловые режимы электрического элемента системы.Рассмотрим основные тепловые режимы трансформаторов,электрических двигателей, элементов преобразователей и другихэлементов силовых цепей. Различают следующие основные режимы:продолжительный, кратковременный и повторно-кратковременный.Тепловые режимы электродвигателей:- продолжительный (S1) – за время работы температураэлектродвигателя достигает установившегося значения (t > 3 – 4Tт) идалее не повышается;- кратковременный (S2) – за время работы температураэлектродвигателя не достигает установившегося значения, а за времяпаузы снижается до температуры окружающей среды. Длительностьвключенного состояния tдоп определяют с помощью коэффициентатермической нагрузки рт, показывающего во сколько раз можнодопустить превышение потерь при кратковременном режиме поотношению к номинальным

tдоп = Tт ln(pт/( pт - 1)), (21)

pт = Qпер/Qном = tуст пер/tдоп., (22)

где Qпер – тепловые потери при перегрузке электродвигателя, tуст пер –установившийся перепад температур при перегрузке электродвигателя,tдоп – допустимый перепад температур при длительном режиме работы.

Стандартные значения продолжительности рабочего периода прикратковременном режиме работы: 10, 30, 60, и 90 мин;

143

- повторно-кратковременный режим (S3) – за время включения tвклтемпература электродвигателя не достигает установившегося значения,а за время паузы tп не успевает понизиться до температуры окружающейсреды. Время цикла tц = tвкл + tп , а

ПВ = (tвкл / tц ) 100%. (23)

Для промышленных электродвигателей указываютсяноминальные данные для четырех значений ПВ: 15, 25, 40 и 60 %.Продолжительность цикла принимается, если нет других указаний,равной 10 мин;- повторно-кратковременный режим с частыми пусками (S 4).Нормируются продолжительность включения, число пусков в час иотношение момента инерции механизма (нагрузки) к моменту инерцииротора электродвигателя. Превышение температуры не достигаетустановившегося значения.

Проверка выбора электродвигателя по перегреву. Основнымтребованием при выборе электродвигателя является соответствие егомощности условиям технологического процесса. Применение двигателянедостаточной мощности может привести к снижениюпроизводительности механизма, двигатель будет перегреваться, будетиметь место ускоренное старение изоляции и выход электродвигателяиз строя. При завышенной мощности повышается стоимостьэлектропривода, увеличиваются потери энергии за счет снижения КПДдвигателя, а для асинхронных электродвигателей снижается также cosj.

Электрический двигатель не перегревается, если температурнаякривая его нагрева лежит ниже tдоп. Вместо построения температурнойкривой на практике используют более простые методы косвеннойоценки теплового состояния электродвигателей: метод средних потерьили эквивалентного тока:

å=ц

iiср t

tРР 2 , (24)

где Pi – мощность, развиваемая электродвигателем на ti -м участке циклаего работы. Если Рср не превышает номинальную мощность, тоэлектродвигатель не перегревается и

å=ц

iiэкв t

tII 2 , 25)

144

где Ii – ток на ti -м участке цикла работы электродвигателя. Если Iэкв непревышает номинальный ток, то электродвигатель не перегревается.

Выбор трансформатора.Трансформаторное оборудование выбирается в соответствии с

параметрами преобразователя. Шкала номинальных выпрямленныхтоков Idн и напряжений Udн соответствует ГОСТ 29593-83. Важнейшимпараметром силовых трансформаторов является номинальнаямощность. Ряд номинальных мощностей трехфазных трансформаторовустановлен ГОСТ 9680-77 и в пределах 100 кВА имеет вид: 0,01; 0,016;0,025; 0,1; 0,16; 0,25; 1,0; 1,6; 2,5; 10; 16; 25; 100 кВА.

Наиболее широко распространены трехфазные трансформаторы сестественным воздушным охлаждением открытого исполнения типаТСП для установки в силовых шкафах. Сухие трансформаторы типаТСП выпускаются на мощности до 250 кВА. Трансформаторы сестественным воздушным охлаждением закрытого исполнения типаТСЗП имеют те же параметры, что ТСП, но больший вес. Этитрансформаторы устанавливаются в помещениях рядом со шкафамиэлектропривода. Трансформаторы типа ТСЗП выпускаются намощности 10–4000 кВА. Линейное напряжение сетевой обмоткитрансформаторов мощностью до 250 кВА включительно равно 0,38 кВ,а у трансформаторов мощностью 400 кВА и выше линейное первичноенапряжение равно 6 или 10 кВ.

Выбор мощности трансформатора определяется числом имощностью электродвигателей, которые может обслуживать источникэнергии, и типом системы управления. При позиционном управлениикоординаты (например, степени подвижности робота) управляются поочереди, следовательно, блок питания должен быть рассчитан намощность наиболее мощного электродвигателя. При контурномуправлении все степени подвижности работают одновременно, поэтомублок питания должен быть рассчитан на суммарную мощностьприводов по всем координатам.

Тепловой расчет трансформатора проводится таким образом,чтобы допускались определенные периодические перегрузки, связанныес перегрузками электродвигателей. Расчетное значение вторичногофазного напряжения трансформатора должно учитывать падениенапряжения на элементах преобразовательного блока (коэффициент kr= 0,05 – 0,1), учитывать возможное снижение напряжения сети (kc = Uc

min /Uсн), неполное открытие вентилей преобразователя (ka = 1/cosamin).Принято при раздельном управлении брать amin = 5 ° , а присогласованном управлении amin = 15 °.

Расчетная мощность трансформатора

145

ананан

r

c

js IUIIk

kkkk

S ××÷÷ø

öççè

æ ×+

××= maxа

расчт 1a , (26)

где Iа max – максимальное значение тока якоря, обеспечиваемоепреобразователем при максимальной частоте вращения якоря, ki –коэффициент, учитывающий отклонение тока от прямоугольной, ki =1,05 – 1,1; ks – коэффициент, учитывающий схему соединениявентилей. Для трехфазного однополупериодного выпрямления ks = 1,48;для шестифазного однополупериодного выпрямления ks = 1,81; длятрехфазного двухполупериодного выпрямления ks = 1,045.

Первичное напряжение указанных трансформаторов 380 В. Рядрекомендуемых значений линейного напряжения вторичной обмоткиимеет следующий вид: 65, 85, 95, 104, 133, 175, 208, 230, 260, 300, 335,380, 416 В.

Выбор элементов преобразователей.Выбор преобразователей основывается на технико-

экономическом анализе различных вариантов с учетом обеспечениятребуемых характеристик (максимальное значение тока, напряжение,диапазон их регулирования, быстродействие, возможность рекуперацииэнергии), а также массогабаритных и стоимостных показателей.Нагрузочная способность вентилей определяется максимальнодопустимой температурой полупроводниковой структуры, которая недолжна быть превышена ни при каких режимах работы. Нагреввентилей зависит от величины и формы тока и от условий охлаждения.

Полоса пропускания лучших образцов тиристорныхпреобразователей с двигателями постоянного тока составляет 40 – 45Гц. Полоса пропускания транзисторных преобразователей составляет100 – 200 Гц. Последнее обеспечивается применением транзисторов,работающих в режиме широтно-импульсного регулирования навысокой несущей частоте (1–3 кГц). Характерной особенностьютранзисторных электроприводов является то, что кратность переходныхтоков ограничивается преобразователем, а не электродвигателем. Привыборе преобразователей следует учитывать возможности улучшенияих свойств за счет оптимизации схемотехнических построений.

Тепловой расчет элементов преобразователя должен учитыватьвозможные перегрузки электрических двигателей, определяемых типомнагрузки. Класс вентиля определяется обратным напряжением, котороеопределяется по формуле

Uвmax = k1k2 kзнEd0 , (27)

146

где k1 – коэффициент, определяемый видом защиты и ее параметрами(обычно принимают k1 = 1,25); k2 – коэффициент перенапряжений,определяемый структурой преобразователя; kзн – коэффициент запаса понапряжению, учитывающий возможные повышения напряжения сети икоммутационные перенапряжения (kзн = 1,5–1,8); Ed0 – максимальноезначение выпрямленного напряжения на выходе преобразователя врежиме холостого хода.

Класс вентиля находится как отношение Uвmax /100 c округлениемдо целого числа в большую сторону. Величина тока, на который долженбыть рассчитан вентиль,

Iв = (Iан + Iур)/ m2,

где Iур – среднее значение уравнительного тока.Выбор реакторов.В преобразователях постоянного тока применяют реакторы двух

типов:- сглаживающие реакторы, предназначенные для снижения

пульсаций якорного тока;- токоограничивающие реакторы, предназначенные для

ограничения уравнительных токов при совместной работе катодной ианодной тиристорных групп. Уравнительные реакторы делают частичнонасыщающимися. При насыщении их индуктивность снижается до 30–50 % от ненасыщенного значения, что несколько снижает значениепостоянной времени электромагнитных переходных процессов.Выбор индуктивности сглаживающего реактора находится по формуле:

Lс.р = LS- Lа - Lтр - Lу.р, (28)

где LS – суммарная индуктивность якорной цепи электродвигателя, Lа -индуктивность якорной обмотки, Lтр - индуктивность обмотки транс-форматора Lу.р – индуктивность уравнительных реакторов, причем

LS = enEd0/ iewвIа, (29)

где en – относительная величина первой гармонической пульсацийвыпрямленного напряжения (зависит от схемы преобразователя и числафаз, например, для трехфазной мостовой схемы en = 0,24, а длятрехфазной нулевой схемы en = 0,52), Ed0 – максимальное значениевыпрямленного напряжения при холостом ходе, wв – угловая частотапервой гармонической пульсаций выпрямленного напряжения, wв = 2pf1m2 , f1 – частота напряжения сети переменного тока, m2 – число фазвыходной (вторичной) обмотки трансформатора, Iа – ток нагрузки, ie –

147

желаемая относительная величина эффективного значения первойгармонической пульсаций выпрямленного тока.

Индуктивность уравнительного реактора. Индуктивностьуравнительного реактора находят по формуле

Lур = Uтл kэф /w1Iур - 2 Lтр , (30)

где Uт.л – амплитуда линейного напряжения вторичной обмотки транс-форматора, kэф – коэффициент, определяемый схемой преобразователя иуглом управления a (обычно принимают для трехфазных систем kэф =0,65, для шестифазных – 0,18 ), w1 – угловая частота напряжения сети,Iур – величина уравнительного тока. Допустимая величинауравнительного тока определяется выбранным запасом по токутиристоров и транс-форматора. Обычно принимают дляэлектроприводов малой мощности Iур = (0,2–0,3) Iан, для средней ибольшой мощности Iур = (0,05–0,1) Iан.

Выбор силовой коммутирующей аппаратурыСиловая коммутирующая аппаратура включает автоматические

выключатели, магнитные пускатели, контакторы. Достоинствоавтоматических выключателей в том, что они сочетают функцииаппаратов оперативных переключений с функциями защиты.Автоматические выключатели применяют для защиты тиристорныхпреобразователей и электродвигателя в аварийных режимах: прикоротких замыканиях, перегрузках, недопустимых сниженияхнапряжения, для нечастых оперативных включений и отключенийэлектрической цепи. Номинальное напряжение автомата должно бытьне ниже напряжения сети, номинальный ток расцепителя автоматадолжен быть не меньше расчетного тока нагрузки. Автоматическиевыключатели могут устанавливаться как в цепях переменного тока, таки в цепях выпрямленного тока.

Электромагнитные пускатели. Электромагнитные пускателипредназначены для пуска, остановки, реверсирования трехфазныхэлектродвигателей, а также для защиты от перегрузки недопустимойпродолжительности, от токов, возникающих при обрыве одной из фаз.

Контакторы. Контакторы предназначены для включения иотключения силовых электрических цепей. В электроприводахконтакторы работают в продолжительном режиме. Катушкиконтакторов запутываются постоянным током напряжением 24, 48, 110или 220 В. Допустимая частота срабатывания контакторов – до 1200циклов в час при ПВ = 40 %.

Выбор элементов защиты силовой части.

148

Исходя из анализа возмущений, действующих на ЭМС извне, ивозможных внутренних аварийных ситуаций применяют следующиезащиты:- защиту элементов силовой цепи от перегрузок по току,перенапряжений, а также от электрических и электромагнитных помех;- защиту от механических и тепловых перегрузок, а также отпоследствий выхода из строя отдельных агрегатов;- защиту обслуживающего персонала.

Задача устройств защиты от перенапряжений являетсяуменьшение внутренних и внешних перенапряжений в такой степени,чтобы предотвратить появление опасных нагрузок на вентилях иобмотках.

Защита вентилей от внутренних перенапряжений в области малыхи средних мощностей осуществляется шунтированием вентилей RC-звеньями. Для тиристоров с номинальным током до 100 А применяютшунтирование их варисторами.

Устройства максимальной токовой защиты должны защищатьвентили и обмотки от перегрузки по току путем размыкания цепи тока.Поэтому срабатывание максимальной токовой защиты связано спрерыванием технологического процесса. Выбор и согласованиеустройств максимальной токовой защиты производится так, чтобы онимогли избирательно взаимодействовать друг с другом и с защищаемымиустройствами. Например, при наличии плавких предохранителей ивыключателя с тепловым реле защита строится так, чтобы криваяперегрузочной способности вентиля шла выше характеристикисрабатывания плавкого предохранителя, характеристика срабатываниявыключателя ниже характеристики предохранителя.

Поскольку двигатели и трансформаторы могут выдерживатьболее высокие кратковременные перегрузки, чем вентильные схемы,устройства защиты преобразователей выполняют также функциизащиты двигателей и трансформаторов. Рабочие перегрузки двигателей,процессы при их пуске, реверсе и торможении не должны вызыватьсрабатывания устройств защиты.

Защита от перенапряжений. Для защиты тиристоров отперенапряжений используют шунтирующие RC-цепочки, включаемыемежду катодом и анодом. Емкость конденсатора выбирается в пределах0,25–2 МкФ, сопротивление резисторов лежит в пределах 5–40 Ом.

Выбор предохранителей. Предохранители приведенных серийпредназначены для защиты сетей низкого напряжения от недопустимыхдлительных перегрузок и от коротких замыканий.

Номинальный ток плавкой вставки выбирается по формуле

149

Iн пл.вст = kн Iн.нагр, (31)

где Iн нагр – номинальный длительный ток нагрузки, kн – коэффициентнадежности.

При постоянной нагрузке kн = 1,1 – 1,2. При переменной нагрузке,например, при пуске или реверсе электродвигателя, рекомендуютпринимать kн = 2 – 2,5.

Типовые структуры перспективных систем управленияприводами переменного тока.

На рис. 48 показана структура привода переменного тока свекторным управлением. В качестве исполнительного двигателя можетприменяться либо синхронный двигатель с активныммагнитоэлектрическим ротором, либо синхронный реактивныйдвигатель. Возможно использование этой структуры и для управлениятрехфазными вентильно-индукторными двигателями с разнополярнымпитанием, а также шаговыми двигателями в режиме бесколлекторныхдвигателей постоянного тока [16].

Рис. 48. Структурная схема привода переменного тока с векторнымуправлением

В качестве силового преобразователя используется инвертор наIGBT-ключах или интеллектуальных силовых модулях. Драйверыключей инвертора подключены непосредственно к выходам ШИМ-генератора микроконтроллера (A, A/, B, B/, C, C/), работающего врежиме широтно-импульсной модуляции базовых векторов (векторной

150

ШИМ-модуляции), что обеспечивает максимально высокую степеньиспользования напряжения звена постоянного тока и минимизациюдинамических потерь в инверторе (ниже об этом сказано болееподробно).

Структура на рис. 48 предполагает использование импульсногодатчика положения ротора двигателя. Сигналы с датчика вводятсянепосредственно в контроллер и обрабатываются в блоке оценкиположения, который может быть реализован на основе специальногопериферийного устройства таймера с "квадратурным" режимом работы.Код механического положения ротора программно преобразуется в кодэлектрического положения ротора внутри полюсного деления машиныq. Для реализации блока оценки скорости могут применяться либоспециальные периферийные устройства микроконтроллера, принципдействия которых основан на измерении временного интервалаотработки двигателем заданного отрезка пути (эстиматоры скорости),либо периферийные устройства общего назначения, такие какпроцессоры событий или менеджеры событий. В последнем случаетаймер, работающий в "квадратурном" режиме, является базовым дляодного из каналов сравнения. Как только двигатель отработаетзаданный отрезок пути, возникнет прерывание по сравнению. Впроцедуре обслуживания этого прерывания центральный процессоропределит временной интервал с момента предыдущего прерывания ивыполнит расчет текущей скорости привода w.

Желательно, чтобы таймер, работающий в "квадратурном"режиме, допускал начальную инициализацию в соответствии с числомметок на оборот импульсного датчика положения, а также имел режимавтоматической коррекции своего состояния по реперному датчику.Эстиматор скорости должен работать с регулируемым разрешением какпо числу импульсов на периоде измерения скорости (от 1 до 255), так ис регулируемым разрешением по времени (максимальное разрешение50–100 нс при диапазоне регулирования разрешения 1:128). Еслиперечисленные выше требования к периферийным устройствам микро-контроллера будут выполнены, то окажется возможным измерениескорости в диапазоне, как минимум, 1:20000 с точностью, не хуже 0,1%.

Для измерения электрических переменных микроконтроллердолжен иметь встроенный АЦП с разрешением не ниже 10–12 двоичныхразрядов и временем преобразования не хуже 5–10 мкс. Как правило,восьми каналов АЦП достаточно для приема не только сигналовобратных связей по токам фаз, но и сигналов обратных связей понапряжению и току в звене постоянного тока, а также внешних

151

задающих сигналов. Дополнительные аналоговые сигналыиспользуются для реализации защит инвертора и двигателя. РаботаАЦП будет более производительной, если микроконтроллер допускаетрежим автоматического сканирования и запуска процессапреобразования. Обычно это делается либо с помощью отдельногопериферийного устройства (процессора периферийных транзакций),либо с помощью режима автозапуска АЦП от процессора событий илигенератора ШИМ-сигналов. Желательно, чтобы выборка как минимумдвух аналоговых сигналов была одновременной.

Итак, на основе полученной информации о токах фаз ia и ibвосстанавливается значение тока в фазе С (ic) и выполняетсяпреобразование токов к неподвижной системе координат, связанной состатором (a, b, c ® a, b). Переход от неподвижной системы координат кподвижной, связанной с текущим положением ротора (a, b ® d, q),позволяет рассчитать компоненты результирующего вектора токастатора по осям d и q, соответственно.

Известно, что момент синхронного двигателя с возбуждением отпостоянных магнитов прямо пропорционален составляющей векторатока статора по поперечной оси q. При этом для минимизации общегопотребляемого двигателем тока желательно поддерживать ток попродольной оси d равным нулю. Таким образом, выход регулятораскорости привода (РС) следует подключить на вход регулятора тока попоперечной оси (РТ iq), а на вход регулятора тока по продольной оси(PT id), подать нулевое задание (рис. 48). Обычно регуляторы скоростии токов являются пропорционально-интегральными.

Выходные сигналы регуляторов тока пропорциональныкомпонентам результирующего вектора напряжения статора по осям d иq, соответственно. В блоке векторной ШИМ-модуляции выполняетсясначала преобразование компонентов вектора напряжения к полярнойсистеме координат (g,r), связанной с продольной осью ротора, а затем, сучетом текущего положения ротора q, определяется рабочий сектор,внутрисекторный угол и рассчитываются компоненты базовых векторовв абсолютной системе координат, связанной со статором. Формируютсянапряжения, прикладываемые к обмоткам двигателя Ua, Ub, Uc.

Все перечисленные выше преобразования координат (прямые иобратные преобразования Парка и Кларка) должны выполняться вреальном времени. Желательно, чтобы используемый для реализациисистемы векторного управления микроконтроллер имел встроеннуюбиблиотеку функций, адаптированных для эффективного управлениядвигателями, в том числе функций преобразования координат. Время

152

реализации каждой из этих функций не должно превышать несколькихмикросекунд.

Отличительной особенностью системы векторного управленияасинхронными двигателями является необходимость использованиядополнительного вычислительного блока, в котором производитсяоценка текущего углового положения вектора потокосцепления ротора.Это делается на основе решения в реальном времени системыдифференциальных уравнений, составленных в соответствии сматематической моделью двигателя. Естественно, что подобнаяоперация требует дополнительных вычислительных ресурсовцентрального процессора.

Рассмотренная выше структура системы управленияобеспечивает автоматическое формирование в фазах двигателясинусоидальных токов и напряжений при работе исполнительногодвигателя в режиме бесколлекторного двигателя постоянного тока соптимальным углом коммутации и минимизацией пульсацийэлектромагнитного момента. В ряде применений, например, дляприводов с вентильно-индукторными и бесколлекторными двигателямипостоянного тока, вполне достаточно на интервале коммутацииподдерживать в обмотке двигателя заданный фиксированный уровеньтока.

Таким образом, полноценные системы векторного управленияприводами переменного тока требуют для своей реализации высоко-производительных микроконтроллеров с широким наборомперечисленных выше встроенных периферийных устройств,допускающих совместную работу и требующих от центральногопроцессора минимальных ресурсов на свое обслуживание.

153

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Соломенцев Ю.М (ред.) Технологические основы гибкихпроизводственных систем М. Высшая школа 2000. 255 с.2.Клюев А.С., Глазов Б.В., Дубровский А.Х., Клюев А.А.; Под ред. А.С.Клюева. Проектирование систем автоматизации технологических про-цессов: Справочное пособие. 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Энерго-атомиздат, 1990. – 464 с.3. Олссон Г., Пиани Д. Цифровые системы автоматизации и управления.– СПб.: Невский Диалект, 2001. – 557 с.4. ГОСТ 34.602-89. Информационная технология. Комплекс стандартовна автоматизированные системы. Техническое задание на созданиеавтоматизированной системы /Комплекс стандартов и руководящихдокументов на автоматизированные системы. Информационнаятехнология. – М.: 1991, с. 3–15.5. ГОСТ 21.404-85. Обозначения условные приборов и средств автома-тизации.6. ГОСТ 24.305-80. Требования к содержанию документов по информа-ционному обеспечению.7. Р50.1.028-2001. Информационные технологии поддержки жизненногоцикла изделия. Методология функционального моделирования.8. ГОСТ ИСО 10303-1–99. Системы автоматизации производства и ихинтеграция. Представление данных об изделии и обмен этими данными.Часть 1. Общие представления и основополагающие принципы.9. ГОСТ Р ИСО 10303-21–99. Системы автоматизации производства иих интеграция. Представление данных об изделии и обмен этимиданными.10.CALS (Поддержка жизненного цикла продукции): Руководство поприменению / Сост. А.Н. Давыдов, В.В. Баранов, Е.В. Судов, С.С.Шульга. – М.: Мин-во экономики РФ, НИЦ CALS-технологий "При-кладная логистика", ГУП "ВИМИ", 2000. – 44 с.11. Уткин В.Б., Балдин К.В. Информационные системы и технологии вэкономике: Учебник для вузов. – М.: ЮНИТИ – ДАНА, 2003. – 335 с.12.Ерков А., Хорощавцев А., Типы и применение регуляторов,Автоматизация и производство, №3,1996 Норенков И.П.,13.Кузьмик П.К. Информационная поддержка наукоемких изделий.CALS- технологии. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2002. 320 с.14. Федотов А.В., Автоматизация управления в производственныхсистемах: Учеб. пособие: Омск: Изд-во ОмГТУ 2001. 368 с.

154

15. Хорьков К.А., Хорьков А.К. Электромеханические системы. Часть 1.Томск, Изд-во ТПУ, 1999.16. В. Козаченко. Основные тенденции развития встроенных системуправления двигателями. Chip news 2004.

155

Евгений Иванович ГромаковАндрей Геннадьевич Каранкевич

Проектирование систем управлениядля гибких автоматизированных производств

Учебно-методическое пособие

Научный редактордоктор технических наук, профессор А.М. Малышенко

Редактор

Подписано к печатиФормат 60х84\16. Бумага офсетная

Плоская печать. Усл.печ.л . уч.-изд. Л.Тираж экз. Заказ . Цена сободная.

Издательство ТПУ. 634050, Томск, пр. Ленина, 30