Системы управления исполнительного уровня

Системы управления исполнительного уровня

Системы управления исполнительного уровня

АСУ ТП строятся по трехуровневому принципу:

Рис. 24. Три уровня Автоматизированной Системы Управления Технологическими Процессами.

Нижний уровень . Уровень оборудования (входов/выходов- Input/Output -level ). Э то уровень датчиков (sensors), измерительных устройств, контролирующих управляемые параметры , а также исполнительных устройств (actuators), воздействующих на эти параметры процесса, для приведение их в соответствие с заданием. На этом уровне осуществляется согласование сигналов датчиков с входами устройства управления, а вырабатываемых команд с исполнительными устройствами.

Средний уровень . Уровень управления оборудованиемControl le v el. Это уровень контроллеров ( ПЛК — PLC , Programable Logic Controller ). ПЛК получает информацию с контрольно-измерительного оборудования и датчиков о состоянии технологического процесса и выдает команды управления, в соответствии с за программированным алгоритмом управления, на исполнительные механизмы.

Верхний уровень . Уровень промышленного сервера, сетевого оборудования, уровень операторских и диспетчерских станций. На этом уровне идет контроль хода производства: обеспечивается связь с нижними уровнями, откуда осуществляется сбор данных, визуализации я и диспетчеризации я (мониторинг) хода технилогического процесса. Это уровень HMI, SCADA . На этом уровне задействован человек, т.е. оператор (диспетчер). О н осуществляет локальный контроль технологического оборудования через так называемый человеко-машинный интерфейс (HMI — Human Machine Interface). К нему относятся: мониторы, графические панели, которые устанавливаются локально на пультах управления и шкафах автоматики. Для осуществл ения контрол я за распределенной системой машин, механизмов и агрегатов применя е тся SCADA (Supervisory Control And Data Acqusition — диспетчерское управление и сбор данных) систем а. Эта система представляет собой порграммное обеспечение, которое настраивается и устанавливается на диспетчерских компьютерах. Она обеспечивает сбор, архивацию, визуализацию, важнейших данных от ПЛК. При получении данных система самостоятельно сравнивает их с заданными значениями управляемых параметр ов (уставками) и при отклонении от задания уведомляет оператора с помощью тревог ( Alarms), позволяя ему предпринять необходимые действия. При этом система записывает все происходящее, включая действия оператора, обеспечивая контроль действий оператора в случае аварии или другой нештатной ситуации. Таким образом, обеспечивается персональная ответственность управляющего оператора.

1. Что означает автоматизированная система управления?

2. Что означает технологический объект управления, чем отличается от обычного объекта?

3. Какие устройства используют для получения информации об объекте и воздействия на него?

4. Какие задачи решаются и какие устройства используются на I/O уровне?

5. Какие задачи решаются и какое устройства используются на уровне управления( Control level)?

6. Какие задачи решаются и какое устройства используются на верхнем уровне?

7. Что обеспечивает SCADA система и кто отвечает за не штатные ситуации в ходе процесса управления?

8. Определите функции первичного и вторичного преобразователей в датчике.

9. Какой вид сигнала имеют на выходе аналоговый, дискретный и бинарный датчики?

10. Назовите датчики применяемые в промышленности, приведите пример применения.

Системы управления исполнительного уровня

Управление движением исполнительного двигателя требует одновременного регулирования нескольких координат. Так для системы электропривода – регулирование момента (тока), скорости и положения. По отношению к общей задаче управления функциональным движением регулирование отдельных координат представляет собой частные задачи.

По принципу работы локальные системы автоматического регулирования координат различают на:

— разомкнутые, в которых сигнал задания преобразуется и подается на силовой преобразователь и исполнительный двигатель без учета результата этого воздействия (рис. 4.2, а);

— замкнутые, учитывающие через обратные связи результат воздействия (рис. 4.2, б, в).

Замкнутые системы бывают с параллельными обратными связями, с подчиненным регулированием координат и комбинированные системы управления.

Рис. 4.2. К пояснению принципа работы локальных систем

автоматического регулирования координат

В мехатронных модулях применение находят замкнутые системы регулирования. Наиболее простой из замкнутых систем является система с параллельными обратными связями (рис. 4.2, б). В такой системе сигнал с единственного регулятора преобразуется силовым преобразователем и подается на исполнительный двигатель (объект регулирования) с координатами Yi. На входе регулятора сигнал задания Uз сравнивается с сигналами обратной связи Uoi, несущими информацию о реальном состоянии регулируемых координат.

Недостатком подобных систем регулирования является взаимное влияние координат системы на качество регулирования и, в первую очередь, на качество переходных процессов регулируемых координат. Этот недостаток исключен в системах с подчиненным регулированием координат, схема которой приведена на рис. 4.2, б.

Система с подчиненным регулированием координат состоит из контуров регулирования, число которых равно числу координат исполнительного двигателя, каждый внутренний контур которой управляется от внешнего контура (подчинен внешнему контуру). Каждый контур строится по принципу регулирования по отклонению, имеет последовательно включенный регулятор и замыкается отрицательной обратной связью по регулируемой координате. Настройку контура (выбор структуры регулятора) обычно осуществляют так, чтобы получить оптимальный переходный процесс, т.е. такой процесс, при котором время нарастания регулируемой величины до установившегося значения было бы минимальным при допустимом перерегулировании.

На рис. 4.3 приведен пример переходного процесса координат электропривода с электродвигателем постоянного тока – тока якоря iя и скорости вращения ω. При подаче напряжения на якорь двигателя первоначально в его цепи происходит нарастание тока. Следствием взаимодействия этого тока с магнитным потоком и является вращение двигателя. Именно поэтому ток якоря изменяется быстрее скорости.

Существуют и другие принципы построения систем автоматического регулирования, например, на основе нечетких регуляторов, построенных на принципах фаззи-логики (fuzzy-logic). Такие системы имеют возможность исключить колебания регулируемой координаты вокруг положения равновесия (см. рис. 4.3). Подробное изложение работы подобных систем можно найти в специализированной литературе.

Интеллектуальные системы управления

На основе нейронных сетей

Интеллектуальные системы управления, построенные на основе нейронных сетей, – один из ярких примеров бионического подхода, когда принципы функционирования управления живыми организмами эффективно использованы для создания нового поколения систем управления техническими системами.

Нервная система живых организмов состоит из большого числа (от 10 10 до 10 12 ) нейронов, типичная структура которого приведена на рис. 4.4, а. Поток электрических сигналов входит в нейрон через его окончания (синапсы), которых в одном ответвлении (дендрите) может быть до 1000. Через дендриты информация поступает в тело клетки, где происходит ее логическая обработка и оценка. Результат этой оценки в виде нервных импульсов (потоков химически активных заряженных веществ – ионов) передается в корни нейронных структур следующего уровня.

Математическая модель единичного нейрона (рис. 4.4, б) легко реализуется в мощных компьютерах. Входные сигналы поступают в сумматор, где определяется их взвешенная сумма (с учетом весовых коэффициентов k1kn). Модели отдельных нейронов объединяются в сети, которые могут состоять из многих слоев и иметь различные структуры. Так на рис. 4.4, в показан пример трехслойной нейронной сети с последовательным соединением слоев.

Рис. 4.4. Биологический нейрон (а), его математическая модель (б)

и структура трехслойной нейронной сети (в)

Нейронные сети обучаются разработчиком системы на конкретных примерах. При обучении разработчик вводит информацию о входных и соответствующих (желаемых) выходных сигналах. Специальная программа настройки сети автоматически подбирает весовые коэффициенты для всех нейронов таким образом, чтобы добиться желаемого соответствия. Обучение повторяется на всех известных примерах и аккумулирует весь имеющийся предварительный опыт. Настроенная таким образом нейронная сеть готова к решению новых задач для других, неизвестных до этого, комбинаций входных сигналов.

Главной особенностью метода нейронных сетей является отсутствие предварительно определенного четкого алгоритма решения встающих перед интеллектуальной системой управления задач.

Контрольные вопросы

1. Что вкладывается в понятие иерархическая система управления? Какие уровни управления выделяют в современных мехатронных системах?

2. Дайте определение уровням управления мехатронными системами.

3. Что понимают под термином “интеллектуальность” уровня (системы) управления?

4. Какие структуры систем управления исполнительного уровня Вы знаете?

5. Объясните принцип построения системы автоматического регулирования с параллельными обратными связями. Перечислите их достоинства и недостатки.

6. Нарисуйте структурную схему системы автоматического регулирования с подчиненным регулированием координат. Поясните принцип ее работы.

7. В чем заключается бионический подход к вопросу реализации интеллектуальных систем управления на основе нейронных сетей.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Подураев Ю.В. Основы мехатроники: Учебное пособие. – М.: МГТУ “СТАНКИН”, 2000. – 80 с.

2. Готлиб Б.М. Введение в мехатронику: Учебное пособие в 2-х томах. Т.1. Концептуальные основы мехатроники. – Екатеринбург: УрГУПС, 2008. – 521 с.

3. Готлиб Б.М. Введение в мехатронику: Учебное пособие в 2-х томах. Т.2. Проектирование и применение мехатронных модулей и систем. – Екатеринбург: УрГУПС, 2008. – 302 с.

4. Егоров О.Д., Подураев Ю.В. Мехатронные модули. Расчет и конструирование: Учебное пособие. – М.: МГТУ “СТАНКИН”, 2004. – 360 с.

5. Вольдек А.И. Электрические машины: Учебник для студентов ВУЗов. – 3-е изд., перераб. – Л.: Энергия, 1978. – 832 с.

5. Преображенский В.И. Полупроводниковые выпрямители. – 2-е изд., перераб. И доп. – М.: Энергоатомиздат, 1986. – 136 с.

6. Розанов Ю.К. Основы силовой электроники. – М.: Энергоатомиздат, 1992. – 296 с.

7. Усольцев А.А. Частотное управление асинхронными двигателями: Учебное пособие. – СПб: СПбГУ ИТМО, 2006. – 94 с.

8. Гидропривод. Основы и компоненты: Пер. с нем. / Р. Фрейтаг, Х. Экснер, Х Гайс, и др. – Бош Рексрот, 2003. – 323 с.

9. Детали машин: Учебник для вузов / Л.А. Андриенко, Б.А. Байков, И.К. Ганулич и др.; под ред. О.А. Ряховского. – М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2002. – 544 с.

Большая Энциклопедия Нефти и Газа

Исполнительный уровень — это уровень, на котором действия участников ( рабочих) непосредственно влияют на возникновение опасности и контроль над нею. Этот уровень предполагает распознавание опасности и выбор мер для ее устранения, снижения уровня и контроля. Степень свободы принятия решений на этом уровне ограничена, следовательно, обратная связь и корректирующие циклы в основном связаны с корректировкой отклонений от установившихся процедур и приведения установившейся практики в норму. Как только идентифицируется ситуация, в которой согласованная прежде норма больше не считается таковой, в действие приводятся следующие уровни принятия решений.  [2]

Используя язык низшего, исполнительного уровня , человек-оператор может задавать движение отдельных степеней подвижности манипулятора в виде фиксированных значений линейных или угловых координат. Последовательное исполнение роботом этих команд соответствует некоторой траектории инструмента в рабочем пространстве.  [3]

Как могут группа и руководители верхнего исполнительного уровня выйти за пределы проблем отдельных бизнес-единиц и обеспечивать защиту основ, на которых строится долгосрочная конкурентоспособность их компаний.  [4]

В развитии СУ манипуляционными роботами, в том числе сварочными, выделяют пять специализированных уровней иерархии управления ( в порядке их усложнения) ( рис. 5.10): I — приводом манипуляционной системы ( исполнительный уровень ); II — элементарными программными операциями; III — то же, в функции информации о внешней среде; IV — отдельными законченными технологическими операциями; V — искусственным интеллектом.  [6]

В некоторых системах для экстремальных условий с большой неопределенностью целесобразно наряду с автоматическими режимами действий робота ( супервизорными или диалоговыми) ввести их комбинацию с полуавтоматическим управлением ( см. § 7.3) через ЭВМ исполнительного уровня , добавив на пульт оператора управляющую рукоятку. Это делается для повышения надежности системы в целом. Предполагается, что в экстремальных условиях человек-оператор не может подойти непосредственно к роботу и к его местной стойке управления, чтобы перепрограммировать или обучить новым действиям. Поэтому ручной режим, необходимый для этих целей ( как и в обычных промышленных роботах), здесь делается дистанционным с удаленного пульта оператора. Особенно это важно также и в каких-либо непредвиденных или аварийных ситуациях.  [7]

Решение моделей операционного уровня используется для корректировки ряда исходных показателей командного уровня. Двойственные оценки направляются на исполнительный уровень для организации направленного формирования вариантов разработки нефтяных месторождений.  [8]

В зависимости от типа используемого регулятора и способов формирования базы знаний ( и особенностей механизма вывода) нечеткий регулятор может быть адаптивным, самообучающимся и нечетким регулятором с активной экспертной системой. Если в структуре нечеткого регулятора на нижнем уровне иерархии используются адаптивные, самоорганизующие ПИД-регуляторы, то улучшаются функционирование и динамические характеристики исполнительного уровня , но не затрагиваются вопросы интеллектуализации его поведения.  [9]

Исходя из изложенного, для ИСУ вводят понятия интеллектуальности в малом и интеллектуальности в большом. ИСУ, организованная в соответствии со всеми пятью принципами, называется интеллектуальной в большом. Такие системы должны иметь иерархическую структуру с несколькими рангами: обучения, самоорганизации ( настройка), прогноза событий, работы с базой знаний и базой событий, формирования решений, планирования операций по реализации решения, адаптации, исполнительного уровня .  [10]

Исполнительные механизмы в системах автоматизации литейных процессов

Исполнительные механизмы в системах автоматического управления технологическими процессами предназначены для непосредственного воздействия на управляемый объект или его органы управления.

Исполнительные механизмы должны удовлетворять следующим требованиям:

иметь по возможности линейные статические характеристики;

обладать мощностью, достаточной для приведения в движение объекта управления или его органов во всех режимах работы;

иметь необходимое быстродействие;

обеспечить по возможности простое и экономичное регулирование выходной величины;

иметь малую мощность управления.

Особенности при работе в литейных цехах

Цех литейного предприятия

Для систем автоматизации литейных процессов характерно наличие двух режимов управления: дистанционного и автоматического.

Для исполнительных механизмов в системах дистанционного управления основные показатели энергетические, кроме того необходимы эксплуатационные, конструктивные и экономические характеристики.

Для исполнительных механизмов в системах автоматического управления наиболее важными являются их статические и динамические свойства, которые влияют на устойчивость и качество регулирования. Эти особенности выбора исполнительных механизмов в системах автоматизации процессов литья необходимо учитывать при их проектировании.

Главными энергетическими параметрами исполнительных механизмов (дистанционное управление) являются номинальный момент (усилие, развиваемое при номинальном управляющем воздействии) и пусковой момент (усилие, развиваемое в момент включения под действием номинального управляющего сигнала).

Отношение пускового момента к приведенному моменту инерции исполнительного механизма определяет его инерционность, т. е. время от начала движения до установившейся номинальной скорости перемещения выходного органа. Для уменьшения времени разгона пусковой момент не должен превышать 2 — 2,5 номинального момента.

В системах позиционного регулирования, когда регулирующее воздействие имеет два установленных значения, исполнительные механизмы должны обеспечивать возможность изменения управляющего воздействия от максимального значения.

В системах с регуляторами постоянной скорости управляющее воздействие на объект определяется временем перемещения регулирующего органа, скорость перестановки которого зависит от технических данных исполнительных механизмов.

В системах пропорционального регулирования регулирующее воздействие на объект пропорционально отклонению параметра от заданного значения, а коэффициент пропорциональности зависит от конструкции исполнительного механизма, тормозных устройств и выбега после отключения.

В ряде систем автоматического управления литейными процессами исполнительные механизмы охватываются обратными связями по положению регулирующего органа. Укрупненная оценка статических и динамических свойств исполнительных механизмов осуществляется при рассмотрении их точности и быстродействия.

При проектировании исполнительные механизмы необходимо установить скорость перемещения его выходного устройства при номинальной нагрузке и управляющий сигнал, соответствующий номинальной скорости перемещения выходного устройства.

В системах автоматизации литейного производства применяют весьма разнообразные исполнительные механизмы. По конструкции их делят на электромеханические, электромагнитные, гидравлические, пневматические и комбинированные.

Электромеханические исполнительные механизмы

Электромеханические исполнительные механизмы используют для управления разнообразными запорными и регулирующими рабочими органами систем автоматизации. В их комплекты могут входить электродвигатель, редуктор, конечные выключатели, муфта предельного момента для защиты двигателя от перегрузок и датчик обратной связи.

Электромеханические исполнительные механизмы

К электромеханическим исполнительные механизмы относятся устройства поворота ковшей автоматизированной заливки, открывания-закрывания бункеров весовых дозаторов в системах шихтовки и смесеприготовления, загрузки плавильных агрегатов и др.

Автоматизация технологических процессов и производств

В указанных процессах литья электромеханические исполнительные механизмы обеспечивают:

дистанционный или автоматический пуск электропривода с помощью пусковых кнопок «Закрыть» и «Открыть» ;

остановку электропривода в любом промежуточном положении с помощью кнопок или контактов путевых выключателей;

аварийный останов при критических перегрузках;

дистанционную световую сигнализацию крайних положений рабочего органа (подъемника, днища бункера, литейного ковша и др.;

электрическую блокировку с другими механизмами.

Электромагнитные исполнительные механизмы

Электромагнитные исполнительные механизмы представляют собой совокупность электромагнита с перемещаемым им механическим устройством. Они сообщают поступательное движение приводу управляемого органа.

Электромагнитный исполнительный механизм

Электромагнитные исполнительные механизмы используют для управления клапанами, вентилями, задвижками и золотниками в системах автоматизации процессов регулирования подачи ваграночного дутья, подогрева, подачи кислорода в сталеплавильном процессе, в системах с применением электрогидравлических или электропневматических устройств, в которых электромагнит перемещает распределительный золотник и др.

Недостаток электромагнитных клапанов и вентилей заключается в том, что при практически мгновенных переключениях могут возникать гидравлические удары.

Гидравлические исполнительные механизмы

Гидравлические исполнительные механизмы широко применяют в автоматических литейных линиях и системах благодаря тому, что они допускают значительные кратковременные 5 — 7-кратные перегрузки, имеют большие выходные моменты (усилия) при малых размерах и могут обеспечить угловые ускорения свыше 20 000 рад/с.

Шаровой кран с гидравлическим и пневматическим приводом высокого давления

Наиболее широко используют гидравлические поршневые исполнительные механизмы, где в качестве рабочей жидкости применяют нефтяные масла, синтетические жидкости, спирто-глицериновую смесь и др.

В литейных системах чаще других используют поршневые исполнительные механизмы простого и двойного действия.

К недостаткам гидравлических исполнительные механизмы следует отнести их большую массу, значительную мощность, расходуемую на управление и трудности ликвидации аварий .

Для исправления некоторых основных недостатков особое значение имеет выбор способа и закона торможения и расчет конструктивных параметров тормозных устройств гидроцилиндров, используемых в литейном производстве.

Выбор тех или иных гидроцилиндров и тормозных устройств определяется режимом их работы. При небольших скоростях допустимо применение приводных гидроцилиндров без тормозных устройств с остановкой движущихся частей конструкций или оснастки об упор. При увеличении рабочей скорости до 80 мм/с необходимо применение тормозных устройств.

Пневматические исполнительные механизмы

Пневматические исполнительные механизмы

Пневматические исполнительные механизмы строят по такой же схеме, что и гидравлические. Различия их заключаются в свойствах рабочей среды (газа и жидкости). Сжимаемость газа оказывает отрицательное влияние на быстродействие системы, особенно при значительных нагрузках и ускорениях.

Пневматические исполнительные механизмы делят на поршневые и мембранные. В литейном цехе распространен поршневые пневматические исполнительные механизмы благодаря их простоте и низкой стоимости.

Вместе с тем агрессивные среды в процессах литейного производства вынуждают конструкторов разрабатывать специальные пневмоцилиндры для литейных автоматов. Такие пневмоцилиндры изготовляют в закрытом исполнении, при котором их штоки не соприкасаются с окружающей средой.

В них применяют односторонние цилиндры, соединенные одним штоком- рейкой с зубчатым колесом на выходном валу. Вращение вала преобразуется кривошипом в поступательное движение, и, хотя двойное преобразование ведет к потере мощности, эти механизмы долговечны.

Комбинированные исполнительные механизмы

Современные пневматические приводы

Новые приводы от Festo позволяют решать задачи с помощью простых движений с электроприводом и интеллектуально обмениваться данными от контроллера к ПЛК через IO-Link. Эта серия электроприводов сочетает в себе простоту пневматики с преимуществами электрической автоматики.

Электроприводы серии Simplified Motion представляют собой решения по перемещению со встроенной моторизацией и управлением для простых задач. Они позволяют работать и вводить в эксплуатацию без программного обеспечения, по принципу: «подключено и работает».

Параметры для скорости подачи и возврата, силы нажатия, задания для конечного положения, демпфирования и ручного управления могут быть установлены непосредственно на приводе с помощью физических кнопок.

При выборе исполнительныж механизмов для систем автоматизации литейного производства учитывают их быстродействие, экономичность, бесшумность в работе. Каждый из этих показателей в той или иной степени может иметь важное значение для решения конкретной задачи автоматизации.

Однако имеется главный критерий, которому необходимо отдавать предпочтение при конструировании или выборе любого исполнительного механизма — это высокая надежность.

В связи с этим целесообразно шире использовать, где возможно, электромагнитные и электромеханические исполнительные механизмы с несложными кинематическими схемами.

В случаях применения гидравлических или пневматических испольнительных механизмов необходимо уделять внимание надежности уплотнительных устройств и понижению массы движущихся деталей.

Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!

Читайте также  Кто получит звание «Ветеран труда Смоленской области»
Рейтинг
( Пока оценок нет )
Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
Добавить комментарий

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!:

Adblock
detector