Особенности и характеристики промышленных систем

Типовые примеры промышленных сетей и систем управления

Классификационные особенности промышленных сетей и систем

Основные понятия и определения

План

Лекция 1.Тема 1.1 Основные понятия, классификация, характеристики промышленных сетей и систем

Раздел 1 Основные понятия

Введение

Содержание

Введение. 4

Раздел 1 Основные понятия. 5

Лекция 1.Тема 1.1 Основные понятия, классификация, характеристики промышленных сетей и систем. 5

Лекция 2. Тема 1.2 Функционально-программная структура промышленных систем 15

Раздел 2 Основы передачи данных в промышленных сетях. 28

Лекция 3. Тема 2.1 Линии связи. Основные понятия и определения. 28

Лекция 4. Тема 2.2 Методы передачи данных на физическом уровне. 67

Лекция 5. Тема 2.3 Последовательный интерфейс RS-232C.. 79

Лекция 6. Тема 2.4 Последовательный промышленный интерфейс. 95

RS-485. 95

Лекция 7. Тема 2.5 Методы передачи данных канального уровня. 139

Лекция 8. Тема 2.6 Типовой состав оборудования сети. 155

Раздел 3 Основные технологии промышленных сетей. 167

Лекция 9. Тема 3.1 Протоколы и стандарты промышленных сетей. 167

Лекция 10. Тема 3.2 Технология Actuator Sensor Interface. 183

Лекция 11. Тема 3.3 Технология Ethernet 209

Лекция 12. Тема 3.4 Технология HART. 10

Лекция 13. Тема 3.5 Технология Profibus. 23

Лекция 14. Тема 3.5 Технология CAN.. 46

Лекция 15. Тема 3.6 Технология Modbus. 67

Раздел 4 Технические средства промышленных сетей. 91

Лекция 16. Тема 4.1 Программируемые контроллеры Simatic C7-200. 93

Лекция 17. Тема 4.2 Программируемые контроллеры Simatic C7-300. 103

Заключение. 114

Библиографический список. 115

Приложение А (обязательное) 117

Контрольные вопросы.. 117

Приложение Б (справочное) 119

Перечень ключевых слов. 119

Современные технологии автоматизации, используемые в промышленных и коммерческих структурах, предполагают наличие разнородных сетей, как для передачи технологической информации, так и телефонных переговоров. Промышленные объекты, как правило, имеют распределенные сети сбора информации с различных датчиков и часто используют специализированные технологии передачи данных на нижнем уровне - так называемые промышленные сети (Fieldbus-сети).

Промышленные сети обладают следующими преимуществами:

· Легкая расширяемость.

· Высокая надежность.

· Малые сроки разработки.

· Легкость тестирования и отладки.

· Возможность распределения системы по объекту.

· Использование компьютеров и контроллеров меньшей мощности.

Перечисленные преимущества резко повысили объемы внедряемых Промышленных сетей в промышленные производства и обусловили появление большого количества промышленных сетей разных типов.

Это обосновывает необходимость введения дисциплины в программу подготовки инженера по автоматизации и подчеркивает ее актуальность.

Целью настоящего курса лекций является ознакомление студентов соответствующих специальностей с принципами построения и функционирования промышленных систем управления, созданных на базе интеллектуальных датчиков, исполнительных устройств, промышленных котроллеров и современных сетевых технологий.

Изучение данного курса тесно связано с такими дисциплинами, как высшая математика, физика, электротехника, электронные устройства автоматики, технические средства автоматизации, интегрированные системы.

В структуре изучаемого курса выделяются следующие основные разделы:

· принципы построения промышленных систем;

· основы передачи данных в промышленных системах;

· основные технологии промышленных сетей;

· технические средства промышленных сетей.

Особенность изучаемого курса состоит в том, что в ходе изучения вопросов теории и практики функционирования Промышленных систем студенты получают информацию из печатных и электронных ресурсов.

Поэтому особое место в овладении данным курсом отводится самостоятельной работе студентов и их умению уверенно ориентироваться в огромной базе данных ресурса Internet.

· Основные понятия и определения

· Классификационные особенности

· Типовые примеры распределённых систем управления

· Особенности и характеристики Промышленных систем

· Требования к промышленным информационным системам

· Режимы обмена данными в Промышленных системах

Промышленные сети включают в себя распределённые системы управления, которые S представляется совокупностью совместно и целенаправленно функционирующих пространственно и функционально распределённых динамических объектов (подсистем) S_i и классифицируется современной теорией систем как сложная динамическая система.

В функциональном отношении промышленная система управления включает в себя управляющую подсистему, реализуемую, как правило, в виде двухуровневой системы принятия решений, на нижнем уровне которой реализуются классические алгоритмы управления, а на верхнем - логико − лингвистические алгоритмы анализа ситуации и планирования поведения системы и управляемую подсистему (процесс), совместное функционирование которых приводит к достижению цели управления.

Управляющая подсистема технически выполнена в виде многомашинного отказоустойчивого вычислительного комплекса сетевой структуры с распределённой обработкой данных в реальном масштабе времени.

Реальное время понимается в данном случае как гарантированное время активизации и решения функциональных задач управления.

Промышленные сети с промышленными распределенными АСУ ТП представляют собой структурно сложную систему.

При построении таких систем применяется так называемый архитектурный подход, возникший первоначально при разработке вычислительных сетей.

Под архитектурой промышленной, информационно-вычислительной, распределенной сети понимают функциональные, логические и физические принципы организации сети.

При создании этих сетей, состоящих из большого числа компонентов зачастую различного происхождения, уже на весьма ранних стадиях проявилась необходимость в унифицированных архитектурных решениях. Одни из таких унифицированных решений распространяются на все классы вычислительных сетей, другие применяют только в локальных вычислительных сетях; наконец, отдельные архитектурные решения принимаются как унифицированные лишь в Промышленных АСУ ТП.

Функционально Промышленные АСУ ТП организуются по большей части как взаимодействующие между собой по определенным принципам слои, или уровни.

Физическая структура определяет соединение компонентов сети передачи данных информационной АСУ ТП.

Логическая структура устанавливает правила взаимодействия между функциональными уровнями и объектами внутри одного уровня и оформляется в виде между уровневых интерфейсов и внутри уровневых протоколов.

Промышленные сети с распределенными системами управленияявляются, как правило, развивающимися сложными гетерогенными иерархическими интегрированными эргатическими непрерывно - дискретными динамическими системами с переменной структурой, нестационарными параметрами и нелинейными зависимостями характеристик от параметров и воздействий.

Сложность, как фундаментальное свойство системы управления, имеет множество интерпретаций и оттенков.

В данном случае, сложная система определяется как целостная система, которая не может быть осознана и изучена исследователем в целом.

Целостность является фундаментальным свойством сложной системы, которое проявляется в единстве цели функционирования системы и принципиальной несводимости свойств системы к сумме свойств образующих её элементов.

Интеграция понимается как объединение множества гетерогенных асинхронно взаимодействующих подсистем, каждая из которых выполняет вполне определённые функции в соответствии с собственной целью подчинённой общей цели функционирования системы.

Иерархия, как свойство системы, приводит, по крайней мере, к следующим принципиальным особенностям системы:

· во-первых, система представлена в виде совокупности соподчинённых подсистем различных уровней иерархии;

· во-вторых, подсистемы более высокого уровня иерархии формируют директивные управления для подсистем более низкого уровня иерархии;

· в третьих, недоступность полного вектора состояния подсистем нижнего уровня иерархии, подсистемам верхнего уровня.

Важным здесь является то, что верхний уровень иерархии формулирует нижнему уровню цель управления − целевую функцию.

Необходимость иерархической организации сложной системы управления необходимо для структурирования управления с целью получения ограниченного множества возможных управляющих решений, из которых и выбирается лучшее.

Распределённость, как свойство системы, обеспечивает наилучшее согласование топологии системы управления с принципами организационно – технологического управления территориально и функционально распределённым объектом управления и исключает в системе циркуляцию избыточной информации при её параллельной и асинхронной обработке в реальном масштабе времени.

Распределённость, кроме того, позволяет осуществить в системе различные формы избыточности, с целью обеспечения необходимого уровня надёжности.

Структурная организация системы управления характеризуется широким использованием обратных связей и компенсирующих цепей, позволяющих проектировать развивающиеся системы управления, удовлетворяющие требованиям устойчивости, управляемости (наблюдаемости), инвариантности, самоорганизации и т. д.

Эргатичность системы. Промышленные сети управления являются, как правило, эргатическими системами процесс управления в которых осуществляется совместно человеком – оператором и техническими средствами различными по функциональному назначению и принципам действия.

При временной перегрузке человека − оператора и, как следствие, неспособности человеком выполнять функциональные задачи в полном объёме эргатическая система должна передавать часть функциональных задач на решение средствам автоматики.

Перераспределение функциональных задач в процессе управления необходимо для сохранения управляемости системы при перегрузках человека и приводит к снижению качества управления.

· системы управления технологическими процессами;

· системы управления промышленными производствами;

· автоматизированные системы управления сложными техническими и технологическими установками и агрегатами, летательными аппаратами, химическими и металлургическими комплексами;

· системы управления гибкими автоматизированными производствами.

Особенностью современных цифровых промышленных систем является распределенный характер «интеллекта» и цифровой способ обмена данными между узлами сети.

Узлы систем располагаются максимально приближенно к оконечным устройствам, благодаря чему длина аналоговых линий сокращается до минимума и аналоговая система превращается в цифровую распределенную систему. Каждый узел ЦРС является «интеллектуальным» устройством и выполняет следующие функции:

· приём команд и данных от других узлов ЦРС;

· съём данных с подключённых датчиков;

· оцифровка полученных данных;

· отработка технологического алгоритма;

· выдача управляющих воздействий на подключенные исполнительные механизмы по команде другого узла или согласно технологическому алгоритму;

· передача накопленной информации на другие узлы ЦРС.

Преимущества ЦРС по сравнению с централизованными системами можно подразделить на две категории – экономическую и функциональную.

Экономическая категория. Переход на цифровую передачу данных означает возможность замены километров дорогих кабелей несколькими сотнями метров дешевой витой пары. Экономический эффект от сокращения расходов на тонны меди и вспомогательное оборудование (кабельные каналы, клеммы, шкафы) хорошо просчитывается и очевиден.

К функциональной категории можно отнести расширение и увеличение Промышленных возможностей цифрового канала передачи данных.

Так если ранее по одной паре проводов можно было получить только одно текущее значение измеряемой величины или передать исполнительному механизму одну команду, то теперь количество передаваемых данных зависит только от «интеллектуальных» возможностей оконечных устройств. Что особенно важно, информационный канал становится двунаправленным. Наиболее важным практическим следствием этого обстоятельства является возможность осуществления удаленной параметризации и калибровки оконечных устройств.

ЦРС обеспечивают также дополнительные преимущества по таким показателям, как надёжность, гибкость и эффективность, что является прямым следствием их децентрализованной структуры.

Дата добавления: 2013-12-12