1.1. Классификация и состав систем управления

В общем случае любая система (техническая, биологическая, экономическая, социальная и т.д.) представляет собой множество взаимосвязанных элементов. В автоматике под системой подразумевают совокупность объектов управления и управляющего устройства, которые взаимодействуют между собой. В сфере промышленного производства сегодня практический интерес имеют системы управления трех категорий: локальные, централизованные и автоматизированные системы управления технологическими процессами. К первой категории систем автоматики относятся локальные (местные) средства контроля, регулирования и управления. Эти системы находят широкое применение на хорошо изученных «простых» объектах управления с числом измерительных величин, не превышающих десятка, например, для котельных установок малой мощности, кондиционеров, холодильных агрегатов и других объектов. Они эффективны при автоматизации технологически независимых объектов с компактным расположением основного оборудования и несложными целями управления (стабилизация, слежение, программное и логическое управление, контроль и измерение) при хорошо отработанной технологии и стационарных условиях эксплуатации.

Появление централизованных систем автоматики связано с ростом количества контролируемых параметров, с территориальным размещением объектов управления. Они разрешают реализовать новые функции по вычислению комплексных показателей эффективности работы отдельных агрегатов и технико-экономических показателей всего технологического процесса, вычислению на этой основе оптимальных управляющих действий и реализации этих действий или в виде вставок локальных регуляторов, или в виде непосредственного действия на исполнительное устройство.

Более высокие требования к качеству управления за счет повышения количества контролируемых параметров, осуществления более точного и комплексного контроля сырья и промежуточных продуктов, оптимального управления объектами на основе их математической модели создали предпосылки к использованию систем третьей категории - АСУТП. В этих системах объединяются решения задач контроля и регулирования технологических процессов, выбора оптимальных режимов и алгоритмов управления.

Несмотря на численное разнообразие систем управления, общим для них является наличие элементов: объекта управления, устройства управления, устройства связи с объектом, получение и использование информации (датчики).

Типичная структура системы управления приведена на рис. 1.1. Показанные на ней аппаратные средства, которые составляют систему, можно разделить на следующие основные части:

  • устройство управления (УУ);
  • устройство связи с объектом (УСО);
  • периферийные устройства (датчики (Д));
  • исполнительные устройства, органы (ИО).

Рисунок 1.1. Структурная схема системы управления

Рисунок 1.1. Структурная схема системы управления

Устройства, которые обеспечивают возможность подключения управляющего устройства к объекту управления (ОУ), выделяют в специальный класс периферийных устройств - устройства связи с объектом (УСО), которые  включают в себя подсистемы аналогового и цифрового ввода, подсистемы аналогового и цифрового вывода.

Подсистема аналогового ввода преобразовывает аналоговые физические величины в форму, пригодную для использования в устройстве управления. С помощью соответствующих датчиков аналоговые величины разной физической природы превращаются в большинстве случаев в постоянный ток или напряжение.

Основные функции оборудования подсистемы:

  • нормализация и усиление сигнала, фильтрация, ослабление сигнала, смещение уровня, преобразование и др.;
  • коммутация сигналов;
  • аналого-цифровое преобразование.

Разнообразные требования по стоимости и техническим характеристикам дают возможность вариации структуры подсистемы аналогового ввода на основе выбора метода обработки аналоговых сигналов.

На рис. 1.2 приведена структура, которая реализует принцип параллельной обработки аналоговых сигналов, поступающих от датчиков. Данная структура даёт возможность обеспечить максимальную производительность аппаратуры всех каналов подсистемы вследствие независимости обработки каждого сигнала и высокое качество преобразования сигналов вследствие возможности подсистемы  обеспечить нужный уровень сигнала на входе аналого-цифрового преобразователя (АЦП) в каждом канале. Такой вариант построения подсистем имеет большое будущее, но на современном этапе развития микросхемотехники при его реализации имеет место высокая стоимость системы из-за сравнительно высокой стоимости интегральных схем АЦП.

Другие варианты (рис.1.3) построения структуры подсистем аналогового ввода  базируются на принципе последовательной обработки аналоговых сигналов, применения мультиплексирования, а также аналоговых схем выборки-хранения для фиксации аналоговых сигналов на входе АЦП.

Рисунок 1.2. Структура подсистемы аналогового ввода с параллельными цифровыми вводами сигналов

Рисунок 1.2. Структура подсистемы аналогового ввода с параллельными цифровыми вводами сигналов

Это дает возможность использовать только один АЦП независимо от количества аналоговых входов.

Рисунок 1.3. Структура подсистемы с параллельным аналоговым вводом и последовательным цифровым выводом сигналов

Рисунок 1.3. Структура подсистемы с параллельным аналоговым вводом и последовательным цифровым выводом сигналов

Хорошее качество преобразования обеспечено теми же функциональными блоками, которые входят в состав структуры (рис. 1.2). Производительность данной структуры находится в прямой зависимости от АЦП и ограничена его динамическими параметрами, поэтому в таких подсистемах необходимо использовать АЦП, имеющие высокое быстродействие. Использование дополнительных элементов для обработки аналоговых сигналов мультиплексоров, схем выборки-хранения ухудшает характеристики точности подсистемы в целом. Практически идентичными техническими характеристиками по сравнению со структурой (рис. 1.3), обладает подсистема (рис. 1.4).

Аппаратные затраты для реализации подсистемы на основе структуры (рис. 1.3) более высокие по сравнению с затратами для построения структуры с одной схемой выборки-хранения (рис.1.4). Эту конфигурацию структуры наиболее рационально использовать в однократных событиях.

Рисунок 1.4. Структура подсистемы аналогового ввода с последовательным выводом сигналов

Рисунок 1.4. Структура подсистемы аналогового ввода с последовательным выводом сигналов

Простейшей, но обеспечивающей относительно низкое качество преобразования, является  подсистема, построенная по структуре, приведенной на рис. 1.5.

Рисунок 1.5. Рациональная структура подсистем аналогового ввода и аналогового вывода сигналов

Рисунок  1.5. Рациональная структура подсистем аналогового ввода и аналогового вывода сигналов

Эта конфигурация структуры рациональная при условии существования сигналов высокого уровня, которые поступают с датчиков, и идентичности этих сигналов. В этом случае имеется возможность обеспечения необходимого качества преобразования при сохранении преимущества простоты реализации.

Из анализа возможных вариантов построения структур вытекает, что любой вариант реализуется на основе функциональных устройств: датчиков, устройств согласования, АЦП, цифровых мультиплексоров, аналоговых  мультиплексоров, устройств выборки-хранения.

Подсистема аналогового вывода во многом  напоминает подсистему аналогового ввода и используется для представления на объект контроля сигналов в виде напряжения или тока, которые изменяются во времени по заданному закону. При преобразовании цифровых данных в аналоговый сигнал с помощью ЦАП выделяют две конфигурации подсистем аналогового вывода:

  • с цифро-аналоговым преобразователем в каждом канале;
  • с одним ЦАП, который работает в режиме распределения времени.

Первая конфигурация применяется там, где есть потребность  в высокой  скорости и точности. Вторая конфигурация менее ценная, так как  применяется только один ЦАП. В этом случае подсистема должна
 вмещать ряд исходных схем аналоговой памяти.

Подсистема цифрового ввода-вывода. Для систем автоматики характерны не только аналоговые входные и выходные величины, но и  цифровые. Они  могут быть представлены двумя состояниями, например, "включено" или "выключено", "в пределах" или "за пределами", "низкий уровень" или "высокий уровень". Кроме цифровых параметров, которые характеризуют состояние объекта, существуют выходные цифровые параметры, которые задают желательное состояние объекта. Например, при контроле объекта часто возникает необходимость включения или отключение блоков и модулей, которые его составляют.

В этих подсистемах в качестве преобразующих схем входных сигналов используют резистивные делители напряжения, диодные ограничители, компараторы, триггеры Шмидта, согласователи  уровней.

Основная функция подсистемы цифрового вывода – функция ключа. Выбор типа ключа определяется значением мощности, которая  коммутируется, а также величиной скорости переключения. Электромеханические реле используют в основном для управления средней и большой  мощностью при низких скоростях  переключения. Они обеспечивают  полную гальваническую развязку цепи.

Более надежными элементами являются  полупроводниковые ключи (биполярные и полевые транзисторы).

Для коммутации цепей переменного тока средней и большой мощности часто используются кремниевые выпрямители, которыми  можно управлять. Практически совершенными переключающими характеристиками обладают полевые транзисторы. Для гальванической развязки полупроводниковых ключей используют оптоэлектронные пары.

Локальные системы автоматики


*****
© Банк лекций Siblec.ru
Формальные, технические, естественные, общественные, гуманитарные, и другие науки.