Учебное пособие КТС

ВВЕДЕНИЕ

Широкое распространение сложных автоматизированных технологических комплексов, включающих в себя технологические

объекты управления и автоматизированные системы управления технологическими процессами (АСУ ТП), требует достаточно вы- сокого уровня подготовки специалистов соответствующего профи- ля. Сложность такой подготовки обусловлена техническим про- грессом в электронной и приборостроительной промышленностях.

За последнее десятилетие эти отросли освоили выпуск средств автоматического контроля, управления и регулирования нового поколения на основе микропроцессорной и вычислительной техни- ки.

В настоящее время большинство контуров современных систем автоматического управления строится с использованием микропроцессорных управляющих контроллеров. Эти приборы, обладают широкими функциональными возможностями, имеют не очень высокую стоимость и позволяют строить автоматизирован- ные системы управления технологическими процессами как на не-

больших предприятиях для автоматизации локальных контуров управления, так и на предприятиях, технологические объекты ко-

торых занимают значительные площади и имеют сотни и тысячи контролируемых и регулируемых параметров.

Действия, выполняемые контроллерами над входными сиг- налами, и формирование выходных сигналов определяется про- граммно, что дает возможность реализовывать различные законы

управления и производить специальную обработку сигналов без привлечения дополнительных технических средств.

Совместимость микропроцессорных контроллеров с вычис- лительными средствами (в частности с персональными ЭВМ), по-

зволяет применять существующие программные средства для формирования управляющих воздействий и отображения инфор- мации о состоянии процесса. Все это делает АСУ ТП гибкой, более наглядной и легко управляемой.

Данное учебное пособие рассчитано на комплексное изуче-

ние современного отечественного микропроцессорного комплекса технических средств (КТС) автоматизации, контроллера "Реми- конт" Р-130 производства АО "ЗЭиМ" (г. Чебоксары). Эти контрол- леры относятся к категории свободно программируемых техниче- ских средств, в которых конфигурация любой схемы регулирования

3

осуществляется внутри контроллера программным путем. Для вы-

полнения этой задачи применяется специально разработанный способ "технологического" программирования. Термин этот озна- чает только то, что использование данного способа доступно спе- циалисту-автоматчику, не владеющему навыками в области мате- матического программирования. Реализация САР на аппаратуре "Ремиконт" связана с составлением виртуальной структуры систе- мы управления (функционально-модульной схемы).

Учебное пособие состоит из двух частей. Первая часть со- держит описания всех модулей входящих в КТС "Ремиконт" Р-130 и их применение в системах автоматического управления. Вторая часть пособия содержит описание лабораторных работ. Решая различные учебные задачи с помощью микропроцессорного кон- троллера "Ремиконт" Р-130, студенты постигают принцип действия применяемых средств, их функциональные возможности и приме- нение.

В цикле лабораторных работ студенты знакомятся со всеми функциональными блоками и узлами комплекса технических средств "Ремиконт" Р-130, выполняют операции по предустано-

вочной проверке и подготовке микропроцессорных средств управления и регулирования, их технологического программирования и запуска в работу. На примере моделирования

типовых звеньев системы автоматического регулирования студенты знакомятся с проектированием алгоритмических структур, применением библиотеки алгоритмов, с характеристиками алгоритмов ввода-вывода и обработки поступающейПолучнныеизмерительнойна этом этапеинформзнанияци. и практические навыки используются для выполнения задания более высокого уровня - построения распределенной автоматической системы регулирова- ния реальным технологическим объектом с настройкой на техноло- гический процесс и оперативным управлением этим процессом.

Это дает возможность применять комплекс технических средств "Ремиконт" Р-130 в процессе курсового и дипломного про- ектирования. Проделанный цикл лабораторных работ не является

окончательным и может развиваться и совершенствоваться путем постановки новых учебных задач.

Учебное пособие предназначено для обучения студентов специальности 210200 «Автоматизация технологических процес- сов и производств» дневной и заочной форм обучения.

4

1. НАЗНАЧЕНИЕ И ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА КОНТРОЛЛЕРА РЕМИКОНТ Р-130

Контроллер Р-130 — компактный многоканальный много- функциональный микропроцессорный контроллер, представляю- щий собой комплекс технических средств, обеспечивающий реше- ние задач автоматического регулирования и логического управле- ния. Контроллер Р-130 эффективно решает как сравнительно про- стые, так и сложные задачи управления.

Контроллер предназначен для построения управляющих и информационных систем автоматизации технологических процес- сов малого и среднего (по числу входов-выходов) уровня сложно- сти и широким динамическим диапазоном изменения технологиче- ских параметров, а также построения отдельных подсистем слож- ных АСУ ТП, обеспечивая при этом оптимальное соотношение производительность/стоимость одного управляющего или инфор- мационного канала.

Основные области применения контроллера:

1.АСУ ТП малой и средней сложности предприятий с непре- рывными или дискретными технологическими процессами различ- ных отраслей (металлургические, энергетические, химические, нефте- и газодобывающие, машиностроительные, сельскохозяйст- венные, пищевые производства, производство стройматериалов, предприятия коммунального хозяйства и т.п.).

2.Управление механизмами, агрегатами, линиями и т.п. как

автономно, так и в составе АСУ ТП.

Контроллер предназначен для решения следующих за-

дач:

1.Сбор информации с датчиков различных типов и ее первич- ная обработка (фильтрация сигналов, линеаризация характеристик датчиков, «офизичивание» сигналов и т.п.);

2.Выдача управляющих воздействий на исполнительные орга- ны различных типов;

3.Контроль технологических параметров по граничным значе- ниям и аварийная защита технологического оборудования;

4.Регулирование прямых и косвенных параметров по различ-

ным законам; 5. Логическое, программно-логическое управление технологи-

ческими агрегатами, автоматический пуск и останов технологического оборудования;

5

6.Математическая обработка информации по различным алго- ритмам;

7.Технический учет материальных и энергетических потоков (электроэнергия, тепло) различными участками производства;

8.Обмен данными с другими контроллерами в рамках кон- троллерной управляющей сети реального времени;

9.Обслуживание технолога-оператора, прием и исполнение его команд, аварийная, предупредительная и рабочая сигнализа- ция, индикация значений прямых и косвенных параметров, выдача

значений параметров и различных сообщений на лицевую панель

иПЭВМ верхнего уровня;

10.Самоконтроль и диагностика всех устройств контроллера в непрерывном и периодическом режимах, вывод информации о техническом состоянии контроллера обслуживающему персоналу.

Решение этих задач поддерживается аппаратными, про- граммными и языковыми средствами контроллера.

1.1.Состав и физическая структура контроллера

Всостав контроллера Ремиконт Р-130 (рис.1) входят:

1.Центральный блок — блок контроллера БК-21 с пультом настройки ПН-1.

2.Комплект модулей и блоков связи с объектом.

3.Блок питания БП-21

4.Межблочные и клеммно-блочные соединители (МБС и КБС).

Блок контроллера БК-21 ведет обработку информации в

цифровой форме, организует работу всех алгоритмов управления,

обеспечивает программу обслуживания пульта настройки ПН-1 и лицевой панели ПЛ, объединяет алгоритмы, «зашитые» в памяти контроллера, в систему заданной конфигурации, устанавливает в них требуемые параметры настройки. С помощью лицевой панели ПЛ и пульта настройки ПН-1 обеспечивается оперативное управ- ление до 4 контуров автоматического регулирования или логико- программного и шагового - дискретного управления.

Комплект модулей и блоков связи с объектом содержит на- бор модулей и блоков ввода-вывода аналоговых и дискретных сиг- налов различного типа. Модули связи с объектом устанавливаются в блоке БК-21, блоки связи с объектом имеют автономное конст- руктивное исполнение.

Блок питания БП-21 предназначен для питания блока БК-21, а также для подключения к контроллеру внешних интерфейсов.

6

Межблочные и клеммно-блочные соединители осуществля- ют соединение составных частей контроллера друг с другом, а также подключение к контроллеру внешних цепей.

Блок контроллера БК − 21

КБС − 22, КБС − 23

БП−21

клеммно − блочные

соединители

КБС−21 КБС − 22

средства связи с объектом

БУМ− 20 БПР − 20 БУТ − 20 БУС − 20

Входные и выходные сигналы

Рис.1. Физический состав комплекса технических средств контроллера Ремиконт Р-130

Контроллер Р-130 — проектно-компонуемое изделие, содер- жащее базовый комплект аппаратуры, поставляемый всегда неза- висимо от объема решаемой задачи, и проектно-компонуемый

7

комплект, состав которого в основном зависит от номенклатуры и числа каналов ввода-вывода информации. Вид лицевой панели, модификация центрального блока и состав дополнительных бло- ков определяются картой заказа.

Соединители КБС применяются в случае, если монтаж сис- темы должен осуществляться без применения пайки.

Блок контроллера БК-21 выполняет следующие функции:

1)преобразования аналоговых и дискретных входных сигналов в цифровую форму;

2)преобразования сигналов, представленных в контроллере в цифровой форме, в аналоговые и дискретные выходные сиг- налы;

3)обработки поступающей информации в соответствии с тре- буемыми алгоритмами управления;

4)обработки дискретных аварийных сигналов;

5)приема и передачи сигналов через интерфейсные каналы цифровой последовательной связи;

6)оперативного контроля и управления с помощью индикаторов

иклавиш, расположенных на лицевой панели блока.

Вблок контроллера БК-21 входят:

Основная часть:

1)модуль процессора ПРЦ-10, имеющий непосредственную связь с аккумуляторной батареей, состоящей из 3 шт. элемен-

тов Д-0,06;

2)модуль контроля и программирования МКП;

3)модуль стабилизатора напряжения МСН-10, обеспечивающий питанием весь блок контроллера БК-21 вместе с пультом на- стройки ПН-1.

Переменная часть:

1.Два посадочных места для устройств связи с объектом ГР.А и ГР.Б, куда могут быть установлены один или два из семи мо- дификаций модулей устройства связи с объектом УСО:

§модуль аналоговых сигналов МАС;

§модуль аналоговых и дискретных сигналов МДА;

§модуль дискретных сигналов МСД (модификации 3-7).

2.Исполнение лицевой панели ПЛ блока контроллера БК-21 за-

висит от модели блока контроллера.

Имеются три модели блока контроллера: регулирующая (номер модели 21), логическая (номер модели 22) и непрерывнодискретная (номер модели 23).

8

Модель 21 – регулирующая модель.

Эта модель в основном предназначена для решения задач автоматического регулирования. Регулирующая модель контрол- лера позволяет вести локальное, каскадное, программное, супер- визорное, многосвязное регулирование. Архитектура этой модели обеспечивает возможность вручную или автоматически включать, отключать, переключать и реконфигурировать контуры управле- ния, причем все эти операции выполняются безударно независимо от сложности структуры управления. В сочетании с обработкой аналоговых сигналов эта модель позволяет выполнить также логи- ческие преобразования сигналов и вырабатывать не только анало- говые или импульсные, но и дискретные команды управления.

Модель 22 –логическая модель.

Эта модель предназначена для решения задач логического управления. Логическая модель применяется в тех случаях, когда необходимо последовательно в соответствии с заданной програм- мой включать и отключать исполнительные устройства. Логическая

модель контроллера формирует логическую программу шагового управления с анализом условий выполнения каждого шага, зада- нием контрольного времени на каждом шаге и условным или без- условным переходом программы к заданному шагу. Кроме того,

эта модель может выполнять также разнообразную обработку аналоговых и дискретных сигналов. Органы оперативного управ- ления позволяют управлять шаговой программой: пускать, оста- навливать и сбрасывать программу, выполнять ее с остановом по- сле каждого шага, контролировать состояние дискретных сигналов и т.д.

Модель 23 –непрерывно-дискретная модель.

Эта модель может выполнять как задачи автоматического регулирования, так и задачи логического управления. При выпол- нении задач автоматического регулирования оператор может вес- ти управление до 45 различных входных или выходных сигналов, как дискретных, так и аналоговых. При логическом управлении мо- дель формирует шаговую программу управления. Основным не-

достатком этой модели является невозможность формирования нескольких контуров управления или логических программ. Вся программа представляет собой один контур непрерывно- логического управления одним объектом непрерывного регулиро- вания или шаговым технологическим процессом.

9

Регулирующая, логическая и непрерывно-дискретная модель контроллера Р-130 содержат средства оперативного управления, расположенные на лицевой панели контроллера. Эти средства позволяют вручную изменять режим работы, устанавливать зада- ние, управлять ходом выполнения программы, вручную управлять исполнительными устройствами, контролировать сигналы и инди- цировать ошибки.

Стандартные аналоговые и дискретные датчики и исполни-

тельные устройства подключаются к блоку контроллера Р-130 с помощью индивидуальных кабельных связей. Внутри контроллера сигналы обрабатываются в цифровой форме.

Контроллеры Р-130 могут объединяться в локальную управ- ляющую сеть «ТРАНЗИТ» с кольцевой конфигурацией. Для такого объединения никаких дополнительных устройств не требуются. В одну сеть могут включаться как регулирующие, так и логические модели контроллеров. Через сеть контроллеры могут обменивать- ся информацией в цифровой форме по витой паре проводов.

Контроллеры, включенные в сеть «ТРАНЗИТ», через специ- альный блок «шлюза» могут взаимодействовать с любым внешним абонентом (например, ЭВМ), имеющим интерфейс RS-232C или

ИРПС.

Контроллер Р-130 — программируемое устройство, но для работы с ним не нужны программисты. Процесс программирования сводится к тому, что из библиотеки, зашитой в постоянной памяти контроллера, извлекаются нужные алгоритмы, эти алгоритмы объ- единяются в систему заданной конфигурации и в них устанавли- ваются требуемые параметры настройки.

Контроллер Р-130 является проектно-компонуемым издели- ем. Его состав и ряд параметров определяются потребителем и указываются в заказе.

В блок контроллера Р-130 встроены развитые средства са- модиагностики, сигнализации и идентификации неисправностей, в том числе при отказе аппаратуры, выходе сигналов за допустимые границы, сбое в ОЗУ, нарушении обмена по сети и т.п. Для дис- танционной передачи информации об отказе предусмотрены спе- циальные дискретные выходы.

1.2.Виртуальная структура контроллера

Виртуальная (кажущийся) структура контроллера позволяет

представить его свойства как звенья системы автоматического

10

управления, выразив их в терминах и понятиях, традиционных для САУ. Физическая структура преобразуется в виртуальную с помо- щью программного обеспечения, «зашитого» в ПЗУ контроллера.

Виртуальная структура включает:

1.средства ввода-вывода информации;

2.средства оперативного управления и настройки;

3.средства интерфейсного канала;

4.алгоблоки;

5.библиотеку алгоритмов.

Для пользователя такая виртуальная структура позволяет

представлять контроллер в виде некого прибора или «черного ящика», выполняющего определенные функции, которые опреде- ляются программно. Возможный диапазон этих функций весьма широк и определяется лишь объемом памяти контроллера и воз- можностями алгоритмов из библиотеки алгоритмов. Возможные варианты представления контроллера в виде «черного ящика», выполняющего функции, определенные программно, показаны на рис.2.

Рис.2. Примеры возможных вариантов представления контроллера для выполнения функций управления а) функция прямого управления лампочкой Л от контакта К; б) функция

инверсного управления лампочкой Л от контакта К

Средства ввода-вывода информации позволяет подклю-

чать к контроллеру источники информации и исполнительные уст- ройства. Контроллер рассчитан на прием и выдачу двух видов сиг- налов: аналоговых (входные 0-2В; выходные 0..5 mA, 0..20 mA, 4-20mA) и дискретных (логический «0» - 0..7В, логическая «1» - 18..30В). Импульсные сигналы, используемые при управлении ис- полнительными механизмами постоянной скорости в контурах ре- гулирования, формируются программно и передаются через дис- кретные выходы контроллера.

11

Средства ввода информации преобразуют дискретные и аналоговые сигналы в цифровую форму с помощью аналого- цифровых и дискретно-цифровых преобразователей (АЦП и ДЦП). Средства вывода информации выполняют функции цифро- аналогового и цифро-дискретного преобразования (ЦАП и ЦДП).

Аппаратная часть этих средств включает внешние цепи уст- ройств связи с объектом групп А и Б.

Средства оперативного управления и настройки позво-

ляют заполнять алгоблоки алгоритмами, конфигурировать (связы- вать) алгоритмы, задавать параметры настройки алгоритмов, из- менять режимы работы контроллера, устанавливать вид и величи- ну задания, управлять логической программой и т.д.

Аппаратная часть этих средств состоит из лицевой панели и пульта настройки. С помощью лицевой панели оператор – техно- лог ведет процесс управления технологическим процессом. Пульт настройки – инструмент оператора наладчика. С помощью пульта

настройки возможно программирование контроллера и контроль входных и выходных сигналов алгоблоков в режиме выполнения программы.

Средства интерфейсного канала позволяют соединять контроллеры в локальную управляющую сеть «транзит» и органи- зовывать работу управляющей программы на нескольких контрол- лерах этой сети. Средства интерфейсного канала включают прие- мопередатчик интерфейсного канала расположенный на процес- сорном модуле.

Алгоблоки ведут алгоритмическую обработку информации. Алгоблок реализуется программно, однако пользователь исполь- зует его так, как будто он существует в виде реально законченного функционального изделия. В этом смысле алгоблок похож на обычный прибор. Вместе с тем есть два важных свойства которые отличают алгоблок от обычного прибора.

1. Функции алгоблока жестко не фиксированы. Они легко из- меняются путем простой замены алгоритма. В этом случае алгоб- лок легко становится регулятором, сумматором и т.д.

2. Алгоблоки соединяются между собой чисто программным способом без использования кабельных линий связи.

В Р-130 в исходном состоянии алгоблоки отсутствуют. Они появляются только тогда, когда в них заносится какой либо алго- ритм из библиотеки алгоритмов.

12