| Состояния | Входы | ||||
| 0 0 0 | 0 0 1 | 0 1 0 | 0 1 1 | 1 0 0 | |
| S 0 S 1 S 2 | 0 0 0 0 0 0 0 0 1 | 1 0 0 1 0 0 0 1 0 | 0 1 0 0 1 0 1 1 1 | 1 1 0 1 1 0 0 1 0 | 0 0 1 1 0 1 0 1 1 |
Автоматные таблицы составляет специалист по автоматике в результате диалога с технологом, знающим особенности управления объектом. Затем строки таблиц преобразуют в логические функции, по которым после операций сокращения и минимизации строят устройство логического управления объектом.
Алгоритм работы управляющего логического устройства может быть задан автоматным графом, в котором вершины соответствуют внутренним состояниям, а дуги – входам и выходам (в скобках).
На рис. 1.8 построен автоматный граф, соответствующий таблицам переходов (см. табл. 1.2) и выходов (см. табл. 1.3). Автоматный граф
Рис. 1.8. Пример автоматного графа управляющего
логического устройства
нагляден и позволяет оценить неполноту или противоречивость в описании управляющего устройства. Неполнота проявляется в том, что для некоторых входов не указаны дуги переходов. Противоречивость обнаруживается по наличию вершин, из которых при одном и том же входе дуги ведут к разным вершинам.
В реальных системах автоматизации число датчиков больше десяти. Следовательно, число входов или строк автоматных таблиц, которые должен проанализировать разработчик, превышает
n = 210 = 1024.
Ввод каждого дополнительного датчика вдвое увеличивает число строк. Чтобы избавиться от так называемого «проклятия размерности», пытаются объединить некоторые датчики. Многие из входов принципиально невозможны, например одновременное появление сигналов движения вперед и назад. Однако они все равно должны быть введены в таблицу, чтобы можно было использовать теорию полностью определенных конечных автоматов. Недостатком автоматных таблиц и графов является их слабая связь с логикой управления и управляющим устройством. Уже при 5–6 признаках метод автоматных таблиц малоэффективен из-за трудоемкого перебора и анализа всех ситуаций, громоздкости автоматных таблиц, необходимости детального изучения технологического процесса. Известны методы описания процессов логического управления на языках автоматных графов, карт Карно, граф-схем алгоритмов или логических схем алгоритмов. Они наглядны для анализа, но непригодны для синтеза систем управления.
Новым способом задания алгоритмов управления является язык секвенций, формализующий простые условия управления «если a, то b», заданные технологом. Эти условия записывают в виде секвенций:
Y Ψ,
где U, Y – логические функции.
Если Y = 1, то Y = 1, а если Y = 0, то значение Y не определено. Описание алгоритма управления на языке секвенций позволяет сократить число строк автоматных таблиц до реально возможных по технологическим условиям. Таблица переходов (см. табл. 1.2) может быть описана системой секвенций переходов
000 S 0 ├ S 0
001 S 0 ├ S1
010 S 0 ├ S 2 и т.д.
Таблица выходов (см. табл. 1.3) описывается системой секвенций выходов
000 S 0 ├ 0 0 0
001 S 0 ├ 1 0 0
010 S 0 ├ 0 1 0 и т.д.
Сокращение системы секвенций происходит как традиционными методами склеивания и поглощения логических функций, так и специальными методами минимизации секвенциального описания.
В отличие от традиционных автоматных языков секвенциальное описание процесса управления не требует перечисления всех комбинаций состояний признаков, будучи тесно связанным с технологией процесса и аппаратурной реализацией. Но применение языка секвенций ограничено конечными автоматами с элементами распределенной памяти. К таким элементам относятся исполнительные устройства, которые сохраняют свое положение после отключения команды: пневмопереключатели и пневмогидроцилиндры с двумя состояниями, задвижки.
Конечно, для недоопределенных конечных автоматов, заданных секвенциями, существует опасность появления непредвиденных ситуаций в условиях эксплуатации. В этом случае описание дополняют новыми секвенциями или вводят устройства противоаварийного распознавания ситуаций.
Уровни автоматизации
Компьютерно-интегрированное производство содержит пять уровней автоматизации (рис. 1.9).
Рис. 1.9. Уровни автоматизации производства
На уровне связи с оборудованием I/O (Input/Output – Вход/Выход) обеспечивается согласование внешних элементов с устройством управления.
На уровне управления Control встроенные в оборудование устройства управления по сигналам датчиков состояния механизмов вырабатывают команды управления исполнительными устройствами – приводами, клапанами, световыми и звуковыми сигналами.
Одновременно с управлением информация о работе оборудования в реальном времени передается на уровень обобщенного контроля
и приобретения данных SCADA (Supervisory Control and Data Acquisition). На уровне SCADA ведут сортировку, преобразование и хранение текущих данных, а также их отображение на мнемосхеме процесса. Для диспетчера отображается поведение всех единиц оборудования: текущее состояние и показатели работы машин, движение материальных потоков, обобщенная информация. Системы SCADA позволяют наблюдать процесс в целом, отслеживать аварийную информацию, временные тенденции и статистические характеристики процесса. При необходимости диспетчер передает обобщенные команды управления оборудованием.
Уровень планирования ресурсов MRP (Manufactoring Resources Planning) иногда неправильно отождествляют с информационной технологией производства. Это известный вариант автоматизации офис-ной деятельности с целью ведения бухгалтерского учета, управления финансами и материально-техническим снабжением, организации документооборота. На этом уровне руководители производства анализируют конъюнктурную стратегию: динамику рыночных цен на выпускаемую продукцию, уровень прибыли по разным видам продукции, прогнозируемый спрос.
До недавнего времени уровни управления объектом производства I/O, PLS, SCADA и уровень планирования ресурсов MRP развивались независимо. Используя оторванные от текущего производства офисные программы, менеджеры не могли выявлять резервы повышения производительности и снижения себестоимости, изменять номенклатуру выпускаемой продукции. При формировании наиболее прибыльной стратегии производства им надо было знать структуру себестоимости каждого из сотен видов продукции, время выполнения поступившего заказа, необходимые для выполнения заказа ресурсы, целесообразность обновления оборудования. Для выработки решений требовалась текущая информация о состоянии каждой единицы оборудования. Эта информация могла быть получена на уровне SCADA, где собирались все данные о работе оборудования. Необходимость выживания предприятия в рыночной среде привела к появлению между уровнями диспетчеризации SCADA и планирования ресурсов MRP дополнительного уровня исполнения заданий MES (Manufacturing Execution System), связывающего менеджеров верхнего уровня с текущим производством. Здесь информация от SCADA преобразуется в информацию для MRP, ведется обновление базы данных, контролируется последовательность операций, формируется расписание проверки и ремонта оборудования в зависимости от продолжительности фактической эксплуатации. После анализа этой информации с позиции производственной и конъюнктурной политики предприятия стратегические решения менеджера исполняются на низших уровнях. В 90-х годах прошлого века стали появляться программные комплексы, с помощью которых любой сотрудник может наблюдать за работой любой единицы оборудования. К ним относятся комплексы Factory Suite (Промышленный набор) фирмы «Wonderware» (США) и Genesis (Возрождение) фирмы «Iconics»(США). Так, набор Factory Suite объединяет уровни MES, SCADA и Control.
Развитие автоматизации
Различают три ступени автоматизации:
– автоматизация рабочего цикла, создание автоматов и полуавтоматов;
– автоматизация системы машин;
– компьютерно-интегрированное производство.
Любая машина состоит из двигательного, передаточного и исполнительного механизма. Двигательный механизм через передаточный механизм приводит в действие исполнительный механизм, который ведет непосредственную обработку, контроль или сборку изделия. При этом кроме рабочих движений он совершает холостые движения, необходимые для подготовки рабочих движений. Таким образом, время рабочего цикла состоит из времени рабочих t p и холостых t x движений:
(1.12)
Если кроме рабочих движений машина автоматически выполняет холостые движения во всех рабочих циклах, то она представляет собой автомат. Машина с автоматическим рабочим циклом, для повторения которого нужно вмешательство человека, называют полуавтоматом. Систему автоматов, расположенных в порядке следования технологических операций, называют автоматической линией.
Компьютерно-интегрированное производство обеспечивает автоматизацию всего производства – от поставки материалов до упаковки готовой продукции. В нем решаются задачи автоматизированного проектирования заказанной продукции, централизованного перепрограммирования систем управления оборудованием, автоматической смены инструментов, компьютерного планирования технологических маршрутов.
На первом этапе развития техники автоматизации непрерывных и дискретных производств применялись механические регуляторы и толкатели, работа которых была наглядна для обслуживающего персонала. Затем для непрерывных процессов стали использовать функциональные блоки на радиолампах, диодах и транзисторах, а для дискретных процессов – релейно-контактные переключательные системы. Такие системы создавались под конкретные объекты управления. При изменении объекта приходилось менять приспособленную для него систему управления. Последним достижением в создании аппаратных устройств автоматики были аналоговые и цифровые микросхемы, которые размещались на специализированных печатных платах.
В 70-х годах появились универсальные ЭВМ типов БЭСМ 6, СМ 2, ЕС, М 6000 с программами управления объектом в режиме реального времени. На таких ЭВМ до 80-х годов строили системы управления сложными объектами, такими как атомная электростанция, металлургическое производство, химический реактор. Центральный компьютер собирал и обрабатывал сигналы датчиков, представлял информацию диспетчеру, накапливал информацию о ходе процесса для расчета технико-экономических показателей и составления отчета (рис. 1.10). Функции управления объектом поручались диспетчеру, хотя некоторые задачи управления решались простой автоматикой на реле и регуляторах непрерывных величин.
Рис. 1.10. Централизованное управление производством
Появление микропроцессоров в начале 80-х годов привело к принципиальному пересмотру подхода к автоматизации производства. Созданные под конкретный объект релейно-контактные системы управления и автоматические регуляторы стали заменять универсальными устройствами с перепрограммируемыми под объект алгоритмами управления. Переход от аппаратной к программируемой технике автоматизации заслуживает специального рассмотрения. В обоих случаях на вход устройства автоматики подают сигналы X 1, X 2,…, Xn с датчиков на объекте управления (рис. 1.11). Устройство по заданному алгоритму вырабатывает команды управления объектом Y 1, Y 2,…., Ym.
Аппаратное устройство управления (рис. 1.11, а) выполнено путем жесткого соединения элементов в соответствии с заданным алгоритмом управления. Элементы работают параллельно. При изменении объекта или алгоритма управления приходится создавать новое устройство управления, поскольку пересоединение элементов требует больших затрат. Это препятствует модернизации устройств управления и повышению уровня автоматизации.
а б
Рис. 1.11. Устройства управления:
а – аппаратное; б – программное
Программируемое устройство управления (рис. 1.11, б) имеет универсальную структуру, включающую микропроцессор, постоянную и оперативную память, устройства ввода/вывода. Его привязку к конк-
ретному объекту автоматизации осуществляют путем записи соответствующего алгоритма управления в запоминающее устройство. При изменении объекта или алгоритма управления просто перезаписывают программу управления. Универсальные устройства управления выпускают тысячами штук, что снижает их стоимость. Их функциональные возможности при небольших размерах непрерывно расширяются, надежность растет, а программное обеспечение все больше приспосабливается к непрограммирующему пользователю.
Воплощением таких устройств являются программируемые логичес-кие контроллеры (ПЛК). Программируемый логический контроллер (PLC-Programmable Logic Controller) представляет собой программируемое вычислительное устройство для сбора аналоговых и дискретных сигналов, логического управления оборудованием и непрерывного регулирования параметров технологических процессов в реальном времени. Контроллер встраивают непосредственно в оборудование. Его входы соединяют с датчиками, а выходы – с исполнительными устройствами. Алгоритм управления записывают с помощью подключаемого программатора или персонального компьютера со специальным программным обеспечением. Для согласованного управления звеньями технологической цепи контроллеры стали объединять в сеть (рис. 1.12).
Рис. 1.12. Управление с помощью программируемых
контроллеров PLC
Одновременно развивались многопроцессорные распределенные системы управления DCS (Distributed Control System). Система представляет собой совокупность распределенных в пространстве вычислительных средств, связанных через коммуникационную систему с центральным устройством управления (рис. 1.13).
Рис. 1.13. Структура распределенной системы управления
Она применяется для объектов с непрерывным технологическим циклом: химических реакторов, атомных электростанций, металлургических и пищевых производств. Текущая информация о процессе стекается в центральное устройство управления, которое предоставляет ее операторам и вырабатывает сигналы управления процессом.
Применение контроллеров расширялось от автономного управления «машина – контроллер» к управлению «технологическая цепь – сеть контроллеров», в то время как распределенные системы управления развивались в противоположном направлении: от общей задачи автоматизации производства – к уровню автоматизации отдельного процесса. Если контроллеры создавались для дискретных процессов, заменяя в машиностроении и других отраслях релейно-контактную логику, то распределенные системы управления применялись для непрерывных процессов в химии и энергетике.
С целью расширения технологических приложений в контроллеры вводили аналоговые входы и выходы, а в распределенные системы управления – дискретные алгоритмы управления. К 1990 году контроллеры стали соединять с шинами обмена информацией в стандартах RS232 и MAP, к которым подключался персональный компьютер для визуализации процессов на пульте диспетчера. С другой стороны, распределенные системы управления имели шины обмена информацией с отображением процесса на экране компьютера. Расширение функций контроллеров вверх и развитие распределенных управляющих систем вниз привели к их объединению. Контроллеры, связанные с объектом, стали подключать к распределенным системам управления в качестве низовых звеньев автоматики. Появились общие для обеих систем операционные системы, работающие в реальном времени.
Новым направлением компьютерной автоматизации стало создание промышленного компьютера и его применение для автоматизации управления процессом. Это направление еще называют компьютерным управлением (computer-based control). При компьютерном управлении в отличие от традиционных приложений персональных компьютеров применяют специальные методы, обеспечивающие надежное управление процессом в реальном времени.
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1. Как различить дискретные и непрерывные производства?
2. Чем неорганизованная среда отличается от полностью определенной и организованной?
3. В чем состоит принцип оценки сложности управления?
4. Опишите три способа регулирования в непрерывном производстве.
5. Как составить автоматные таблицы?
6. От чего зависит число строк и столбцов в автоматных таблицах?
7. Как записать алгоритм управления на языке секвенций?
8. Разделите задачи уровней автоматизации производства.
9. Для чего потребовался уровень MES?
10. Чем автомат отличается от полуавтомата?
11. В чем состоят преимущества программных устройств автоматики?
12. Опишите централизованную и распределенную структуры управления производством.
13. Как работает сеть контроллеров?
14. Чем PC-based control отличается от автоматизации с помощью PLC и DCS?
