Лекція 3. Основні поняття. Узагальнена структура системи управління.
3.1. Поняття об'єкта управління, технологічного процесу, системи управління.
Пристрій (або сукупність пристроїв), що здійснює технологічний процес і потребує спеціально організованих впливах ззовні для здійснення його алгоритму функціонування, називається керованим об'єктом.
Алгоритм управління - сукупність приписів, що визначає характер впливів ззовні на керований об'єкт з метою здійснення його алгоритму функціонування.
Управління - процес здійснення впливів, відповідних алгоритмом управління. Зазвичай управління не може повністю компенсувати вплив збурень в кожний момент часу і тому алгоритм функціонування керованого об'єкта виконується лише наближено.
Пристрій, що здійснює відповідно до алгоритму управління вплив на керований об'єкт, називається керуючим пристроєм. Алгоритм функціонування пристрою, що управляє і є алгоритм управління.
Сукупність керованого об'єкта і керуючого пристрою, взаємодіючих між собою, називають системою управління. В одній системі може бути декілька керованих об'єктів або керуючих пристроїв.
Технологічний процес - сукупність послідовних і паралельних операцій, спрямованих на досягнення необхідного виробничого результату.
Сукупність технологічного процесу і реалізує його обладнання називають технологічним об'єктом управління.
3.2. Етапи управління, структура сучасних систем управління об'єктами, технологічними процесами, виробництвом.
Процес управління можна розділити на чотири етапи циркуляції інформації:
отримання інформації;
переробка інформації (прийняття правильного рішення, що впливає на хід процесу);
використання інформації (зміна ходу виробничого процесу в потрібному напрямку);
передача інформації (етап в кожному "циклі" управління повторюється двічі).
У відповідності з вказаними етапами технічні засоби систем управління можна поділити на чотири групи:
засоби отримання (формування) інформації: датчики, сенсори, вимірювальні прилади і т.п. (КІП);
засоби передачі інформації на відстань: системи телемеханіки (ВТМ), в більш загальному випадку - системи передачі інформації (СПІ);
засоби переробки інформації: пристрої обчислювальної техніки (УВТ) та інші спеціалізовані пристрої;
засоби для використання інформації: автоматичні регулятори, виконавчі механізми (ІМ).
Рис.3.1. Узагальнена структура системи управління.
Структура сучасної системи управління виробництвом на прикладі системи управління вугільної шахти наведена на рис.3.2.
Рис. 3.2. Структура сучасної системи управління виробництвом на прикладі системи управління вугільної шахти.
ПУ СТМ - пункт управління системи телемеханіки; КП СТМ - контрольований пункт системи телемеханіки; АКУ - апаратура контролю та керування обладнанням; ВМП - вентилятор місцевого провітрювання.
3.3. Пристрої отримання і передачі інформації.
3.3.1. Пристрої формування інформації (датчики).
Первинні перетворювачі або датчики використовуються для отримання сигналів, які далі можуть оброблятися в електронних схемах, кодуватися за допомогою АЦП, запам'ятовуватися і аналізуватися комп'ютерами.
Якщо досліджуваний (отримується) сигнал настільки малий, що його маскують шуми і перешкоди, то використовуються потужні методи виділення частот сигналу, такі, як синхронне детектування, усереднення сигналів, багатоканальні лічильники, а також кореляційний та спектральний аналізи, за допомогою яких необхідний сигнал відновлюється.
Застосовувані в промисловості датчики поділяються на два великі класи: дискретні і аналогові.
У дискретних датчиках вихідний сигнал може мати тільки два значення (наприклад, "включено" - "вимкнено" і т.д.), а в аналогових присутній весь спектр вимірюваної величини.
Існують датчики аналогові за принципом вимірювання, але дискретні по виду вихідного сигналу. Це має місце, коли для функціонування системи не обов'язково мати інформацію про всіх значеннях якої величини, а достатньо знати, перевищує ця величина задане (наприклад, аварійне) значення чи ні.
Всі датчики поділяються на контактні і безконтактні по типу "знімання" сигналу з об'єкту. Наприклад, вимірювання сили електричного струму може бути зроблено за допомогою звичайного амперметра, який включається в розрив електричного кола, а також приладом, що використовують ефект Холла, який реагує на магнітне поле, створюване протікає по провіднику струмом.
Приклад найпростішого дискретного датчика - датчик рівня рідини, який сам по собі є контактом, який замкнутий, якщо знаходиться нижче рівня рідини і розімкнений, якщо вище.
Дискретні датчики мають або релейний вихід (контакт замкнутий або розімкнутий), або ключовий, зазвичай напівпровідниковий (ключ відкритий або закритий).
Аналогові датчики можна підрозділити на що вимірюють електричні та неелектричні величини.
До першої групи належать вимірювачі струму, напруги, потужності, кількості ел.енергії і т.д.
Найбільш широко поширеними представниками другої групи є вимірювачі температури, рівня світності, магнітного поля, зусилля, переміщення, швидкості і т.д.
Датчики температури.
Термопари.
При з'єднанні між собою двох проводів з різних металів на їх кінцях виникає невелика різниця потенціалів зазвичай близько 1 мВ з температурним коефіцієнтом близько 50 мкВ / ° С. Такі з'єднання називають термопарами. Комбінуючи різні пари сплавів, можна вимірювати температури від -270 до +2500 ° С з точністю 0,5 - 2 ° С. Кожна пара виготовляється шляхом зварювання (спайки) двох різних металів таким чином, щоб вийшло невелике за розміром з'єднання - спай. Типові термопари: J - залізо - константан (55% Cu - 45% Ni); Т - мідь - константан; R - платина - 87% Pt-13% Rh і т.п. Усього розрізняють 7 основних типів термопар.
Термістори - напівпровідникові С.° - 4% / »пристрої, у яких температурний коефіцієнт опору (ТКС) С.°Діапазон від - 50 до +300 С.°Точність 0,1 - 0,2 Зазвичай мають опір декілька сотень Ом при кімнатній температурі. Не пред'являють високих вимог до подальших електричним схемами. Найбільш часто застосовується мостова схема підключення термістора в поєднанні з диференціальним підсилювачем.
Термісторний метод вимірювання в порівнянні з іншими простіше і точніше, але термістори чутливі до саморозігріву, тендітні й придатні для відносно вузької області температур.
Платинові термометри опору являють собою просто котушку з дуже чистою платинового дроту з С.° 0,4% / »позитивним ТКС Надзвичайно стабільні в часі, точні (0,02 - С),° С), мають широкий діапазон вимірювання (від - 200 до +1000 °0,2 але вартість їх висока.
Датчики температури на ІС. Падіння напруги на напівпровідниковому pn переході також залежить від температури. В даний час випускаються інтегральні мікросхеми, використовують цей ефект, з струмовим, потенційним або частотним виходом. °Типовий діапазон від - 55 до +125 С, відрізняються простотою зовнішніх з'єднань.° 1 ±С, точність
Кварцові термометри використовують ефект зміни резонансної частоти кристала кварцу зі спеціально підібраним перетином (типові кварцові генератори мають найнижчий ТК). 10´Окремі зразки таких датчиків мають похибку 4 -5 С.° С в діапазоні від - 50 до +150 °
Безконтактне або дистанційне вимірювання температури можливе за допомогою пірометрів і термографів. Зручно для вимірювання температури дуже гарячих об'єктів або ж об'єктів, розташованих в недоступних місцях.
Деформація і зсув (положення, зусилля).
Вимірювання таких фізичних змінних, як становище і зусилля, саме по собі досить складно, і прилад для вимірювання цих величин повинен включати в себе такі пристрої, як тензодатчик, диференціальний перетворювач лінійних переміщень (ДПЛП) і т.д. Основним тут є вимір переміщення.
Існує декілька найбільш часто використовуваних методів вимірювання положення, зміщення (зміна положення) і деформації (відносного подовження).
ДПЛП будуються у вигляді трансформаторів з рухомим осердям, в яких збуджується змінним струмом одна обмотка і вимірюється індуковане напруга в другій обмотці.
Тензодатчики вимірюють подовження і (або) вигин збірки з чотирьох металевих тонкоплівкових резисторів, подвергаемой деформації. Електрична схема тензодатчиків подібна мостовий: на два протилежно розташованих затиску подається постійна напруга, а з двох інших знімається різниця потенціалів.
Ємнісні перетворювачі. Дуже чутливий метод вимірювання переміщень реалізується за допомогою двох близько розташованих один до одного пластин або однієї пластини, укладеної між парою зовнішніх пластин. Включивши такий конденсатор в резонансну схему, можна виміряти дуже малі зміни положення. Ємнісні мікрофони використовують цей принцип для перетворення акустичного тиску або швидкості його зміни в електричний сигнал звукової частоти.
Вимірювання кутів повороту об'єкта проводиться за допомогою спеціальних модифікацій ДПЛП або синусно-косинусних перетворювачів. В обох випадках використовується збудження змінним струмом, і кутове положення вимірюється з точністю до кутової хвилини.
Вимірювання положення з високою точністю (1 мкм) можна проводити, використовуючи віддзеркалення лазерного променя від дзеркал, скріплених з об'єктом, і зчитуючи число інтерференційних смуг (інтерферометрія).
Кварцові кристали відгукуються на деформацію зміною своєї резонансної частоти. Цим забезпечується дуже точний метод вимірювання малих зсувів або змін тиску.
Описані методи дозволяють вимірювати швидкість, прискорення, тиск, силу (масу).
У промисловості і побутовій техніці широко використовується оптико-механічний спосіб вимірювання переміщення і швидкості. Він заснований на застосуванні оптопари (фотодіод-світлодіод або оптрон з відкритим каналом) і диска з пелюстками, що приводиться в обертання поверхнею об'єкта, швидкість переміщення якого необхідно виміряти.
За допомогою вимірювання магнітних полів можливо "безконтактне" вимірювання сили струму та інших похідних величин. Такі датчики засновані на ефекті Холла, який викликає появу поперечного напруги на токонесущей шматку матеріалу (зазвичай це напівпровідник), вміщеному в магнітне поле.
Виміряти частоту, період коливань або часовий інтервал з високим ступенем точності достатньо просто маючи генератор еталонної частоти і нескладну цифрову схему обробки.
Вимірювання рівня випромінювання в даний час здійснюється в основному напівпровідниковими приладами - фотосопротівленіе, фотодіодами, фототранзисторами, і засновано на ефекті виникнення фотоструму при попаданні світла (потоку фотонів) на назад зміщений р-n перехід.
У звичайних фотодиодах перетворення світлової енергії в електричний струм відбувається без посилення, а в лавинних фотодиодах і фототранзисторах - з посиленням.
У промислових системах управління важливим елементом є пристрої гальванічної розв'язки. Вони реалізуються найчастіше на базі трансформаторів або оптронів (оптронная розв'язка).
Оптрон - оптична пара, що складається з світлодіода і фотодіода (фототранзистора, фототірістора), укладених в одному корпусі.
Оптронная розв'язка володіє кращими характеристиками, меншими габаритами і вартістю, ніж трансформаторна.
Гальванічна розв'язка використовується для підвищення безпеки, завадостійкості та надійності апаратури.
Найважливішим елементом систем є ЦАП і АЦП.
Цифро-аналоговий перетворювач (ЦАП) являє собою пристрій для автоматичного декодування вхідних величин, представлених числовими кодами (цифрових сигналів), в безперервні в часі сигнали, необхідні для роботи з аналоговими пристроями.
Аналого-цифровий перетворювач (АЦП) являє собою пристрій для автоматичного перетворення безперервно змінюються у часі аналогових сигналів в еквівалентні значення числових кодів.
3.3.2. Системи передачі інформації (СПІ).
3.3.2.1. Структура СПИ.
Сучасні СПИ являють собою складні комплекси, що складаються з різних функціонально взаємопов'язаних елементів. Ці системи характеризуються не тільки великим числом елементів, але і ієрархічністю структури, надмірністю, наявністю між елементами прямих, зворотних і перехресних зв'язків.
Узагальнена модель СПИ
¢А SXA
Джерело Пере-Канал Прийом-Одержувач
з 
ообщеній датчик нік повідомлень
f (t)
(Шум)
Канал (у вузькому сенсі) - Середа, використовувана для передачі сигналів від передавача до приймача.
Передавач - пристрій, що перетворює повідомлення джерела А в сигнали S, найбільш відповідні характеристикам даного каналу. Операції, що виконуються передавачем, можуть включати в себе формування первинного сигналу, модуляцію, кодування, стиснення даних, і т.д.
Приймач реалізує функцію обробки сигналів X (t) = S (t) + f (t) на виході каналу з метою найкращого відтворення (відновлення) переданих повідомлень А на приймальному кінці.
3.3.2.2. Типові види переданих сигналів:
1) сигнали телемеханіки (дані);
2) мовні (звукові) сигнали;
3) відеосигнали.
3.3.2.3. Канали зв'язку.
Тип каналу зв'язку визначає в більшості випадків тип, призначення, область застосування і основні характеристики СПИ.
1) провідні канали - інформація передається по електричним кабелям різного типу:
- Телефонна пара - використовується при невисоких вимогах до пропускної здатності каналу і завадостійкості, найбільш дешевий вид кабелю;
- Вита пара - кабель складається з попарно звитих провідників, що знижує питому ємність, а отже, збільшує смугу пропускання;
- Коаксіальний кабель - сигнальний дріт розташований строго по осі кабелю (аксіально), а загальний провід - навколо нього, виконуючи ще й функцію екрану, причому відділений від сигнального діелектриком на певну відстань, що значно знижує питому ємність і підвищує завадостійкість. Коаксіальні кабелі володіють найбільшою пропускною здатністю в порівнянні з попередніми типами (сотні МГц), але значно дорожче.
- Силова мережа електропостачання - використовується в якості каналу зв'язку при невисоких вимогах до пропускної здатності або коли прокладка окремої лінії зв'язку неможлива або недоцільна. Вимагає досить складних пристроїв приєднання до каналу.
2) радіоканал - інформація передається шляхом поширення електромагнітних коливань у вільній середовищі. Дуже широка область застосування: промисловість, телефонний зв'язок, телебачення, радіомовлення, супутниковий зв'язок і т.д. Вимагає значних витрат при створенні передавальних станцій для передачі на великі відстані, тому зазвичай застосовується при великій кількості абонентів.
3) оптичний канал - може бути відкритим і световодной.
- Відкритий оптичний канал - інформація передається світловими сигналами через атмосферу, в даний час практично не має застосування через залежність характеристик від стану атмосфери.
- Канал зв'язку на волоконних світловодах - світловий потік поширюється по спеціально організованому каналу - световоду.
Волоконно-оптична зв'язок - сама нова галузь в області СПИ, і найбільш перспективна в багатьох застосуваннях, особливо в промисловості.
В якості середовища поширення світлових коливань використовуються волоконні світловоди, светопроводящий шар (серцевина) яких виконаний з кварцу з дуже високою прозорістю (у десятки тисяч разів прозоріше звичайного віконного скла), а оболонка - з полімерних матеріалів, несучих захисну функцію. Серцевина, в свою чергу, виконується двошаровою, причому коефіцієнт заломлення зовнішньої частини відрізняється від коефіцієнта заломлення внутрішньої. За рахунок цього світловий потік, що потрапляє в світловод, багаторазово відбивається від межі розділу шарів і таким чином проходить через світловод.
Волоконно-оптичні системи передачі (ВОСП), що базуються на застосуванні волоконних світловодів, володіють наступними основними перевагами в порівнянні з іншими системами:
- Несприйнятливість до електромагнітних перешкод (особливе значення має для застосування в промисловості з небезпечними умовами);
- Висока пропускна здатність і дальність передачі;
- Малі габарити і маса кабелю;
- Відсутність коштовних матеріалів в кабелі;
- Повна гальванічна розв'язка між приймальною і передавальною частинами;
- Практично неможливість несанкціонованого доступу в фізичний канал зв'язку, і багато інших.
3.4. Види систем управління.
Розрізняють системи місцевого та дистанційного керування (телекерування). Останні мають місце, коли виробничий процес розосереджений на великій площі. Це має місце в системах управління великими підприємствами: металургійні заводи, підприємства гірничодобувної, хімічної та інших галузей промисловості, а також на об'єктах управління великої протяжності - нафтопроводи, лінії електропередачі і т.д. У системах місцевого управління об'єкти управління зазвичай розташовані компактно і на незначній відстані від керуючого пристрою. Наприклад, металообробні верстати з ЧПУ, підйомні крани і т.д. У цьому випадку спеціалізовані СПИ не використовуються.
Існують автоматичні й автоматизовані системи управління.
Система управління, в якій усі функції управління процесом перекладаються з людини на автоматичні пристрої, називається автоматичною системою управління.
В автоматизованій системі управління функції керуючого пристрою виконують як засоби обчислювальної техніки, так і людина.
Системи управління можуть бути класифіковані і за іншими самим різними ознаками. Класифікація за алгоритмічним і неалгоритмічний ознаками наведена на рис 3.3.
Рис.3.3. Класифікація систем управління за алгоритмічним і неалгоритмічний ознаками.