Методы организации доступа к линиям связи 2 page

– для дискретных переменных цикл опроса должен обеспечивать выполнение требования по быстродействию задач-потребителей, а также по точности присвоения метки времени. Для большинства дискретных переменных цикл опроса дискретных каналов составляет 0,1 с.

Так как измерительный, нормирующий преобразователи, да и остальные элементы информационно-измерительного канала обладают инерционностью, которая в паспортных данных характеризуется постоянной времени (Т _пр), они будут являться низкочастотными фильтрами поступающих сигналов. Исходя из этого, в ИИК необходимо выбрать элемент с максимальным значением постоянной времени и, уменьшив ее в 5–10 раз, определить допустимое значение периода опроса канала. Например, для термоэлектрического преобразователя ТХА в стальном чехле
Т _пр = 100 150 с. Исходя из этого, максимальный период опроса канала с ТХА составит 10 с.

3.1.4. Определение зоны возврата для исключения «дребезга» и формирование событий для аналоговых переменных

Для любой технологической переменной может быть задано до четырех уставок, обозначаемых как нижняя аварийная, нижняя предупредительная границы (НАГ, НПГ) и верхняя предупредительная, верхняя аварийная границы (ВПГ, ВАГ). Данные уставки обычно используются в системах сигнализации, защиты и блокировки. Значения уставок для отдельных переменных могут меняться в зависимости от других технологических переменных, от состояния органов управления. Значения уставок должны лежать в пределах шкалы переменной. Для некоторых переменных данные уставки могут быть не заданы.

Если уставки, определяющие границы срабатывания систем сигнализации (защиты), задать без зоны возврата, в этих системах может возникнуть явление «дребезга». Это явление появляется тогда, когда технологическая переменная колеблется на границе срабатывания систем (ВПГ, НПГ, ВАГ, НАГ). Для исключения этого явления, кроме значений технологической переменной, определяющих данные границы, необходимо задать зону возврата. Величина зоны возврата индивидуальна для каждой технологической переменной и должна быть не менее амплитуды пульсаций этой переменной при выбранной апертуре. Соотношение значений уставок и зон возврата показано на рис. 3.2.

Рис. 3.2. Соотношение установок и зон возврата

Формирование событий при выходе переменной за уставку производится в блоке 6 (см. рис. 3.1) в следующих случаях:

- при выходе переменной за ВПГ (ВАГ) снизу;

- при выходе переменной за ВПГ– (ВАГ– ) сверху;

- при выходе переменной за НПГ (НАГ) сверху;

- при выходе переменной за НПГ+ (НАГ + ) снизу.

На рис. 3.2 данные события отмечены метками:

* – при срабатывании систем сигнализации (защиты);

– при отключении средств сигнализации (защиты).

Необходимо заметить, что в реальных контактных устройст-вах зона возврата обеспечивается различием в их токах срабатывания и отпускания.

3.1.5. Фильтрация сигналов измерительной информации

Фильтрация является наиболее сложной из операций первичной обработки сигналов измерительной информации. Она может выполняться аппаратно с помощью RC, LC фильтров перед поступлением сигнала в контроллер или программно с помощью различных алгоритмов фильтрации. Наибольшее распространение в АСУ ТП получили алгоритмы экспоненциального сглаживания (около 90 % задач фильтрации решаются с помощью данных алгоритмов). Рекуррентные соотношения для вычисления отфильтрованного (сглаженного) сигнала для фильтра экспоненциального сглаживания 1 порядка имеют следующий вид:

(3.4)

где – текущее и предыдущее значения отфильтрованного сигнала;

– текущее значение неотфильтрованного сигнала;

– коэффициент фильтрации (0,1 ¸ 0,8).

Для повышения точности фильтрации можно использовать выражение (3.5), однако для его реализации требуется дополни-тельная ячейка памяти и время обработки сигнала увеличивается.

(3.5)

Выражение (3.4) соответствует экспоненциальному фильтру первого порядка с передаточной функцией

(3.6)

Повторное использование выражения (3.4) для обработки отфильтрованного сигнала (jT) будет соответствовать использованию экспоненциального фильтра второго порядка.

Коэффициент фильтрации α определяется из выражения

(3.7)

где Т – интервал времени между тактами обработки сигнала по выражению (3.5);

– постоянная времени фильтра.

К достоинствам алгоритмов экспоненциальной фильтрации относится малая трудоемкость расчетов и небольшой объем памяти контроллера, необходимый для хранения данных.

Кроме указанных выше алгоритмов фильтрации в АСУ ТП используются фильтр скользящего среднего, статические
фильтры.

3.1.6. Масштабирование и линеаризация

Так как большинство задач управления в АСУ ТП решаются с использованием значений технологических переменных, представленных в естественных единицах (градусах, паскалях и т.д.), необходимо преобразовать сигнал измерительной информации Z _ф(jT). Данная операция носит название аналитической градуи-ровки, которая выполняется с использованием градуировочной характеристики измерительного преобразователя и представляет собой функцию, обратную его номинальной статической характеристике:

(3.8)

Номинальная статическая характеристика приводится в паспорте измерительного преобразователя в виде аналитической функции или таблицы соответствия X, Y.

Операцию аналитической градуировки рассмотрим на примере гидростатического уровнемера жидкости. Гидростатический уровнемер преобразует значение измеряемого уровня жидкости (L) в перепад давлений (∆ P) между точками отбора по выражению

(3.9)

где – масштабный коэффициент, зависящий от выбора единиц измерения величин ∆ Р (если ∆ Р выражено в МПА, = 10^–5);

ρ – плотность жидкости, кг/м³;

L – уровень жидкости, м.

Перепад давления ∆ P линейно преобразуется дифманометром в стандартный электрический сигнал 4–20 мА:

(3.10)

где – коэффициент передачи дифманометра, мА/МПА:

(3.11)

Если плотность жидкости, уровень которой измеряется, остается неизменным, то выражение (3.10) можно представить
в следующем виде:

(3.12)

где .

Из выражения (3.12) находится градуировочная характерис-тика:

(3.13)

В тех случаях, когда плотность жидкости меняется в процессе измерения уровня, необходимо ее измерить и после всех преобразований и аналитической градуировки использовать для коррекции уровня жидкости по выражению

(3.14)

где

На практике, когда числовой код на выходе АЦП связан
с измеряемой переменной х (t) линейной зависимостью, аналитическая градуировка (воспроизведение значения х (t) в абсолютных единицах) выполняется по следующему выражению:

(3.15)

где ;

– значение измеряемой переменной в абсолютных единицах;

Х _нш, Х _кш – начало и конец шкалы измерительного преобразователя в абсолютных единицах;

П_нш – код измеряемой переменной, получаемой на выходе АЦП при подаче на него напряжения, соответствующего началу шкалы измерительного преобразователя;

П_кш – код измеряемой переменной, получаемой на выходе АЦП при приложении к нему напряжения, соответствующего концу шкалы измерительного преобразователя;

П – текущий код параметра, получаемый на выходе АЦП, при измеряемом значении Х (t).

В рассмотренном выше примере Х _нш – это значение уровня жидкости в миллиметрах (или метрах), при котором сигнал на выходе дифманометра будет равен 4 мА, а Х _кш – 20 мА, например: Х _нш = 0 мм, Х _кш = 2000 мм.

Нелинейность статических характеристик первичных преобразователей (зависимость выходного сигнала от измеряемой величины) определяется физическими свойствами их чувствительных элементов и используемым методом измерения. К первому виду нелинейностей относятся характеристики термометров сопротивления (ТС), термоэлектрических термометров (термопар) и некоторых других преобразователей. Примером второго вида нелинейности могут служить расходомеры переменного перепада давления.

Номинальные статические характеристики термометров сопротивления, термопар приводятся в справочной литературе
в виде таблиц и аналитических выражений. Так как в аналитических выражениях присутствует ошибка аппроксимации, то на практике для преобразования сопротивления ТС и ЭДС термопар в температуру (аналитическая градуировка) чаще используют табличную форму задания статической характеристики.

Таблицы составляются для всех градуировок термометров сопротивления и термопар, подключаемых к входным модулям контроллера. При этом диапазон температур, входящих в таблицу, должен охватывать диапазоны шкал всех измерительных преобразователей одной градуировки. При большом различии в диапазонах измеряемой температуры разными измерительными преобразователями одной градуировки таблицы составляются для каждого преобразователя с неравномерным шагом. Выбор величины шага таблицы определяется допустимой погрешностью линеаризации статической характеристики, обычно для термометров сопротивления она составляет не более ±0,1 °С, а для термопар – ±0,3 °С. При таких значениях погрешность, вносимая процедурой преобразования, будет существенно меньше погрешности, вносимой самим измерительным преобразователем.

Алгоритм поиска температуры в таблице включает в себя просмотр табличных значений термосопротивления или
термо-ЭДС (обычно с меньшего значения), нахождения ближайших к измеренному табличных значений и последующего расчета измеренной температуры путем линейной интерполяции.

При измерении температуры с помощью термопары необходимо вводить постоянную поправку на температуру ее холодных слоев, которая обычно измеряется термометрами сопротивления. В этом случае вычисление действительного значения температуры производится в следующем порядке:

1. Считывается код, пропорциональный ЭДС термопары Е (t, t ₀).

2. По измеренному значению температуры холодных спаек термопары по линеаризованной таблице определяется код ЭДС холодного слоя (t ₀, 0).

3. По формуле Е (t, 0) = Е (t, t ₀) + Е (t ₀, 0) определяется ЭДС термопары при температуре холодных слоев, равной 0 °С.

4. По линеаризованной таблице, в соответствии с полученным значением ЭДС Е (t, 0), определяется измеряемая темпе-ратура.

3.1.7. Алгоритмический контроль достоверности сигналов измерительной информации

В процессе функционирования комплекса технических средств АСУТП производится аппаратная диагностика его работоспособности: модулей ввода/вывода, процессоров, коммуникационных средств и других устройств. При обнаружении отказов
в системе формируется событие. При этом для переменных, вводимых через неработоспособные каналы, выставляется признак недостоверности.

Однако не все отказы измерительных каналов могут быть определены встроенной самодиагностикой комплекса технических средств. Для повышения надежности при вводе информации в систему производится алгоритмический контроль достоверности технологических переменных. Отказы измерительных каналов принято делить на полные и частичные или метрологические (параметрические). Полный отказ чаще всего наступает при повреждении линии связи, первичного или нормирующего преобразователя. При метрологических (частичных) отказах измерительный канал внешне сохраняет свою работоспособность, однако погрешность, возникающая в канале, выходит за допустимые пределы. Причинами такого положения могут быть изменения характеристик преобразователей, линий связи в процессе их эксплуатации и другие.

Контроль достоверности аналоговых переменных осуществляется по «уставкам». При этом для всех аналоговых переменных как вводимых в систему через модули ввода, так и для расчетных, переменных, проверяется выполнение неравенства

(3.16)

где НУ, ВУ – нижний и верхний предельные уровни технологической переменной X (jT), при нарушении которых формируется событие отказа измерительного канала.

Данный вид контроля, вообще говоря, не связан непосредственно с контролем по допустимому диапазону выходного сигнала датчика (такой контроль также предусмотрен в качестве аппаратного, например, для датчиков с выходом 0–5 мА или
4–20 мА), а проверяет значение переменной на физическую возможность существования. Например, температура питательной воды не может быть равна 600 °С. Этот вид контроля особенно полезен для расчетных переменных, так как недостоверность отдельных членов, входящих в формулы расчета, может быть и не обнаружена другими видами контроля.

Нижний и верхний уровни устанавливаются для каждого канала при его калибровке, эти величины не обязательно должны повторять шкалу нормальных значений переменной, но должны представлять собой физически достижимые границы значения переменной даже в аварийных режимах. Иначе говоря, недостоверными считаются переменные, противоречащие здравому смыслу.

Контроль полных отказов измерительных каналов может осуществляться и по скорости изменения технологической переменной. Данный вид контроля применяется для аналоговых переменных, инерционность которых обусловлена их физической природой. Таковыми являются, в частности, все переменные температурного контроля. Для быстроменяющихся переменных,
а также подверженных пульсациям данный вид контроля не применяется. Переменная считается достоверной, если выполняется неравенство

(3.17)

где – максимально возможная скорость изменения переменной X (jT).

Обнаружение метрологических отказов производится несколькими способами. Для наиболее ответственных технологических переменных используется аппаратное резервирование измерительных каналов, при этом если расхождение между сигналами, полученными по основному и резервному каналу, окажется больше допустимого предела, данный канал будет считаться не работоспособным. Другой способ обнаружения параметрических отказов использует связи между измеряемыми технологическими переменными, которые имеются в объекте. Простейшим примером такого способа является обнаружение параметрического отказа в схеме измерения с тремя и более расходомерами (рис. 3.3).

Рис. 3.3. Схема измерения расхода с помощью

трех преобразователей

При выполнении условия

(3.18)

где – допустимая погрешность, результаты измерения считаются достоверными.

Для обнаружения отказов измерительных каналов могут использоваться другие виды контроля, например: контроль по вариационному ряду, контроль путем сравнения с расчетной величиной и т.д. Данные виды контроля чаще всего используются на диспетчерском уровне АСУ ТП. В случае признания аналоговой переменной недостоверной производится замена недостоверного значения на последнее значение, признанное достоверным. При этом для недостоверной переменной запрещается дальнейшая обработка.

Для расчетных переменных, в которых используются переменные, признанные недостоверными, может производиться замена их на расчетное значение. При этом для расчетной переменной может быть разрешена дальнейшая обработка, однако для него выставляется признак «ограниченной достоверности». Например, при расчете расходов с коррекцией по плотности среды при недостоверной температуре или давлении среды вычисление может быть продолжено при замене недостоверного значения плотности на значение, принятое при расчете сужающего устройства.

3.1.8. Обработка дискретной информации

Обработка дискретной информации в контроллере включает в себя решение следующих задач:

· Устранение «дребезга»;

· Формирование значений двух-, трех- и других позиционных переменных (перекидные контакты реле, конечных и путевых выключателей, ключи выбора режимов и т.п.) по таблице возможных значений, составленной индивидуально для каждой такой переменной. При этом, если переменная имеет «неразрешенное» значение, она считается недостоверной;

· Инверсия дискретной переменной;

· Занесение значений переменной в «локальный» массив дискретной информации с присвоением метки времени и признака достоверности;

· Формирование события и передача сообщения о нем в коммуникационную среду АСУТП при изменении состояния дискретной переменной;

· Обработка сигналов от датчиков число-импульсной информации.

Датчики число-импульсной информации формируют на своем выходе последовательность импульсов (дискретных сигналов) переменной частоты (от 0 до величины порядка 1 Гц) длительностью ≈ 120 мс. Обработка сигналов от данного вида датчиков состоит в подсчете (суммировании) количества импульсов, поступающих на вход с коэффициентом, задаваемым индивидуально для каждой переменной данного типа. В дальнейшем количество импульсов обрабатывается как аналоговая переменная.

Для однопозиционных дискретных переменных алгоритмический контроль достоверности не производится. Для двух-, трех- и более позиционных дискретных переменных контроль достоверности производится по таблице возможных значений, задаваемой индивидуально для каждой переменной.

Переменная считается недостоверной, если она недостоверна хотя бы по одному из видов контроля (аппаратный контроль либо контроль по таблице возможных значений). При этом для недостоверной переменной запрещается дальнейшая обработка.

Для расчетных дискретных переменных, в которых используются переменные, признанные недостоверными, может производиться замена их на заранее заданное значение либо на переменную ручного ввода, запрос на которую должен формироваться в случае признания переменной недостоверной.

3.1.9. Определение апертуры

Для сокращения объемов информации, передаваемой в коммуникационную среду АСУ ТП, в программное обеспечение ПЛК вводится апертура, при этом передаче на верхний уровень системы подлежат переменные, изменение значения которых превышает апертуру.

Величина апертуры задается индивидуально для каждого канала измерения при его калибровке. Выбор величины апертуры ограничен сверху максимальной величиной погрешности, нормированной для канала, а снизу – пропускной способностью коммуникационной среды АСУ ТП или размером оперативного архива.

3.2. Состав программного обеспечения современных
систем автоматизации

Программное обеспечение (ПО) АСУ включает в себя две группы программ:

· Системные ПО;

· Прикладное ПО.

Системное ПО – это комплекс программ, используемый для разработки и выполнения прикладных программ. В состав системного ПО входят:

· Операционная система (ОС);

· Системы программирования (СП);

· Системы управления базами данных (СУБД);

· Программное обеспечение локальных вычислительных систем (ПО ЛВС).

Операционная система – это совокупность программных средств, обеспечивающих управление аппаратными ресурсами вычислительной системы и взаимодействие программных процессов с аппаратурой и другими процессами и пользователями.
В состав операционной системы входят:

· Монитор (супервизор) – центральная управляющая программа;

· Файловая система (осуществляет управление файлами);

· Утилиты (сервисные программы);

· Драйверы – программы управления периферийными устройствами.

Операционные системы обеспечивают следующие режимы вычисления:

· Однопрограммный;

· Мультипрограммный;

· Многозадачный.

Различают следующие операционные системы:

· Диалоговые – это однопрограммный режим взаимодействия с пользователем в реальном масштабе времени;

· Общего назначения (с пакетной обработкой данных);

· Операционные системы с разделением времени, обеспечивающие мультипрограммный режим при коллективном доступе пользователя к вычислительным ресурсам;

· Операционные системы реального времени – это многозадачные системы, обеспечивающие решение задач в темпе, диктуемом управляемым производственным процессом.

Система программирования – это один или несколько языков программирования в совокупности со средой, необходимой для использования в вычислительной системе. СП включает в себя набор программ: Редактор, Транслятор, Компоновщик, Загрузчик, Отладчик.

Редактор позволяет вводить в компьютер исходные тексты программ на выбранном языке программирования. Эти тексты образуют программные модули, для преобразования которых
в машинные коды используют трансляторы. Они могут быть реализованы либо в форме компилятора, когда переводится весь текст прикладной программы, а затем начинается ее выполнение, либо в виде интерпретатора, когда переводится в машинные коды одна команда (оператор) и после этого сразу идет выполнение этой команды. При компиляции текста программа образует объектный модуль, который представляет собой перечень машинных кодов, не имеющих физических адресов в памяти компьютера. Компоновщик – это программа, которая присваивает конкретные адреса в памяти элементам объектного модуля, после чего объектный модуль называется загрузочным модулем. Загрузчик – это программа, которая считывает загрузочный модуль ОЗУ.

Прикладное программное обеспечение – это программы решения конкретных задач управления. Его можно разделить на общее и специализированное. Общее прикладное программное обеспечение – это набор типовых программ, используемых на большинстве предприятий. Специализированное прикладное ПО – это программное обеспечение решения задач управления конкретными технологическими объектами.

3.3. Программное обеспечение нижнего (контроллерного) уровня в АСУ ТП

Программное обеспечение контроллеров включает в себя служебные программы (драйверы внешних устройств, модули диагностики, сетевое программное обеспечение и т.д.) и программы решения задач контроля и управления технологическим объектом, которые разрабатываются и отлаживаются при проектировании и внедрении АСУ ТП. В большинстве случаев для современных микропроцессорных контроллеров данные программы составляются на языках международного стандарта IEC 61131-3. Причинами разработки стандарта послужили два основных фактора: большое количество разнородных языков про­граммирования (каждый изготовитель в комплекте с ПЛК поставлял свои средства для его программирования), сложность получаемых программ для чтения и редактирования (зачастую,
в случае обнаружения неточности в программе или необходимости ее корректировки, разобраться в ней мог только автор).

3.3.1. Характеристика языков программирования стандарта IEC 61131-3

Стандарт IEC 61131-3 был утвержден в 1992 г. Международной электротехнической комиссией (МЭК) и описывает синтаксис и семантику пяти языков программирования:

SFC (последовательных функциональных схем) – язык графических схем, описывающий логику программы как последовательность процедурных шагов и условных переходов. По внешнему виду он напоминает хорошо известные логические блок-схемы алгоритмов;

LD (релейных диаграмм) – графический язык программирования, являющийся стандартизированным вариантом класса языков релейно-контактных схем, дополненный таймерами, счетчиками, ПИД-преобразователями и т.д.;

FBD (функциональных блоковых диаграмм) – графический язык, на котором процедура строится из различных функций
и функциональных блоков, имеющихся в библиотеке. Внешне алгоритм работы некоторого устройства на данном языке выглядит как функциональная схема электронного устройства, собранного на интегральных микросхемах;

ST (структурированный текст) – текстовый высокоуровневый язык общего назначения, по синтаксису ориентированный на Паскаль, самостоятельного значения не имеет, используется совместно с языком SFC;

IL (язык инструкций) – текстовый язык низкого уровня, выглядит как типичный язык Ассеблера, используется совместно
с языком SFC.

Для программирования контроллеров на уровне пользователя чаще всего используются языки FBD и LD, а для реализации шаговых программ – язык SFC.

Прикладные программы первичной обработки информации создаются с помощью систем разработки (МЭК-систем) на любом PC / AT – совместимом компьютере, поддерживающем программирование контроллеров в стандарте IEC 61131-3. Они представляют собой набор функциональных блоков, для которых задана последовательность обработки и формирования сигналов. Каждый из блоков решает одну из задач первичной обработки измерительной информации (фильтрацию, масштабирование, линеаризацию и т.д.).

Существует несколько десятков инструментальных средств программирования, поддерживающих языки данного стандарта. Наибольшее распространение получили такие системы, как «Isa Graf», «Co De Sys», «Unity» и др.

Основными объектами адресации языков программирования ПЛК являются либо биты, соответствующие дискретным логическим переменным, либо слова того или иного формата, соответствующие числовым данным. Объекты-биты имеют длину, соответствующую одному разряду, принимающему значение 0 или 1, и соответствуют либо дискретным сигналам ввода/вывода, либо результатам выполнения тех или иных логических операций (0 – «ложь», 1 – «истина»). Объекты-слова имеют различную длину (B (байт) = 8 бит, W (слово) = 16 бит, D (двойное слово) = 32 бит, F – число с плавающей точкой).

Адресация переменной величины в стандарте IЕC 61131-3 осуществляется следующим образом. Сначала записывается символ стандарта %, затем тип объекта (ввод, вывод или др.), затем формат объекта (бит или слово) и, наконец, адрес (номер корзины, номер модуля, номер канала – для величин ввода/вывода или номер регистра – для внутренних переменных ПЛК).

Формат адресации величины, вводимой или выводимой из ПЛК, показан на рис. 3.4, а, а внутренней переменной ПЛК – на рис. 3.4, б.