Лекция по теме "Системы управления"

Системы управления.

Любой завод, фабрику или учреждение можно рассматривать как объект управления. при этом с точки зрения автоматизации управление работой предприятия может осуществляться по приведенной на ранее обобщенной схеме.

Входная информация содержится в различного рода плановых, финансовых, расходно-приходных и других документах. Они выполняют функции аналогичные функциям датчиков Д1 в системах управления например, технологическими процессами. В названных документах указывается:

что, когда, кому и по какой цене предприятие должно изготовить и отправить;

какие материалы, детали, узлы другие комплектующие изделия есть на складе или в какой срок будут получены предприятием;

сколько рабочих мест есть на предприятии, их производительность, длительность технологического цикла изготовления изделия;

чертежи, перечни необходимых материалов и комплектующих изделий и другая конструкторская документация, определяющая как должно выглядеть и работать изделие;

технологическая документация, описывающая  каким образом и на каком оборудовании, с какой производительностью труда должно изготавливаться изделие;

какая численность работающих на предприятии и их заработная плата;

финансовое положение предприятия и др.

Информацию о текущем состоянии объекта управления (предприятия) руководство получает также из разного рода рапортов, сводок, текущих отчетных документов. Информация о результатах работы предприятия (аналог сигналов с датчиков Д3) содержится также в документах:

накладных, по которым готовая продукция сдается на складах;

документах, удостоверяющих качество продукции;

финансовых бухгалтерских отчетных документах, в которых отражается экономическая деятельность предприятия, и т.д.

В качестве «исполнительных механизмов», выполняющих функции управления процессом производства, в той или иной степени выступает каждый работник предприятия.

Функции каждого подразделения предприятия (отдела, цеха, участка, бригады), а также функции каждого работника предприятия и их взаимоотношения друг с другом строго определены различными документами.

На рис.1. представлена типовая структура управления промышленными предприятиями с учетом иерархии функций, прав и обязанностей сверху вниз, начиная от директора и кончая бригадой.

Как правило, структура автоматизированной системы управления производством (АСУП) строится в соответствии с общей структурной схемой управления предприятием. Аналогичное построение имеют АСУ отраслей и производственных объединений. Перечень решаемых задач на этих более высоких уровнях иерархии управления видоизменяется, но, в общем, их, как и для АСУП можно разбить на следующие группы задач: планирование, учет и распределение фондов на средства производства и материалы; анализ и составление статической отчетности; расчет и распределение фондов стимулирования и капиталовложений; контроль исполнения решений.

С точки зрения иерархии систем АСУ предприятий находятся на более низком уровне, чем отраслевые АСУ.

Отраслевые  АСУ, АСУ производственных объединений и больших предприятий разрабатывается на основе больших универсальных ЭВМ типа ЕС ЭВМ. Для построения АСУП малых предприятий отечественная промышленность выпускает специализированный комплекс на базе миниЭВМ СМ1600 или М5000. Этот же комплекс может применяться для АСУП крупных цехов и отдельных производств. Обмен информацией между ЭВМ различных уровней АСУП осуществляется либо по специальным каналам связи, либо пересылкой магнитных носителей информации большой емкости (обычно магнитных лент).

Автоматизация управления технологическими процессами.

Следующую ступень в иерархии систем автоматизированные системы управления технологическими процессами (АСТУП). Данные системы являются основой для непосредственной автоматизации процесса изготовления изделия.

Современные АСУТП строятся на базе микро- и миниЭВМ. Последние используется в системах, где требуется быстрая обработка больших массивов информации или сложные математические вычисления.

В последние годы для построения АСУТП все более широко используется микроЭВМ, программируемые микропроцессорные контроллеры и вычислительные комплексы на основе многих микроЭВМ, объединенных в локальной сети.

Управление оборудованием по заданной программе с одновременным контролем состояния самого оборудования, обрабатываемого материала (температура, плотность, масса и т.д.), внешней среды и т.д. Используется, как правило, для управления непрерывными процессами в нефтехимии, энергетике, металлургии, сельском хозяйстве (теплицы) и т.д.

Контроль параметров технологического процесса (ЭВМ собирает и обрабатывает информацию; управляет процессом оператор)   

Сбор и обработка данных о состоянии оборудования, сырья, металлов и полуфабрикатов, времени обработки, состояния внешней среды, количестве и параметрах выходного продукта и т.д. Используются в металлургии, машиностроении, на транспорте, в химической промышленности, авиации, энергетике и т.д.

Диагностика и контроль продукции (ЭВМ собирает и обрабатывает измерительную информацию)        

Проверка и определение неисправности как выходной продукции, так и основных блоков, деталей, узлов и т.д.

Управление складским хозяйством (ЭВМ ведет сбор и учет информации)  

Учет и распределение по ячейкам склада материалов и изделий, подлежащих хранению. Автоматический поиск адреса (где находится тот или иной продукт), управление складскими транспортными средствами, оформление сопроводительной документации при выдаче заказа.

Управление транспортировкой грузов и пассажиров     

Учет, определение и планирование направлений и объемов грузовых и пассажирских перевозок, расчет маршрутов транспорта, слежение за ритмичностью перевозок и местом нахождения грузов, соблюдение техники безопасности перевозок. Используется на различных видах транспорта.

Контроль пожарной и охранной сигнализации      

Контроль за состоянием датчиков объекта

Гибкое автоматизированное производство. Системы числового программного управления.

Что же понимают под гибким автоматизированным производством (ГАП)? Это производство (поточная линия, цех, завод), которые функционирует на основе безлюдной или малолюдной технологии. Как и всякое производство, ГАП  включает в себя технологическое оборудование, складские и транспортные системы, а также другие  

Производственные компоненты. Работа всех компонентов ГАП координируется как единое целое с помощью многоуровневой микропроцессорной  распределенной системы  управления, в которой каждое устройство из состава ГАП может иметь собственную систему управления на основе микроЭВМ. Распределенная система управления обеспечивает  изменения программы функционирования компонентов ГАП и тем самым быструю перестройку и гибкость технологии при смене  производственного здания. Системы ГАП рассчитаны на изготовление среднесерийных, мелкосерийных и единичных изделий, к которым относятся примерно 75% всех  изделий машиностроения. Наиболее распространены ГАП в области металлообработки, сборки, штамповки и т.д. Дальнейшим этапов развития ГАП  должны стать заводы-автоматы, которые требуют объединения в один комплекс двух основных составляющих: автоматизированного производства  и автоматизированного проектирования. Характерными особенностями ГАП являются резко повышение производительности труда, быстрое изменение номенклатуры выпускаемых  изделий и освобождение человека от неквалифицированной и монотонной работы.

Для реализации ГАП используется широкая гамма различных датчиков и исполнительных механизмов, микропроцессорные контроллеры, микро- и мини ЭВМ, системы управления базами данных, ЛВС, робототехнические комплексы и станки с ЧПУ, автоматизированный транспорт и склады, САПР, АСУП, АСУТП.

Электронно-вычислительные машины в ГАП используются для решения следующих задач:  непосредственное управление оборудованием, обеспечение надежности функционирования ячеек ГАП и производства в целом, обеспечением техники безопасности, учет и планирование.

Для управления технологическим оборудованием на производстве широкое применение нашли системы числового программного управления (СЧПУ). Наибольший эффект дает использование оборудование, оснащенного системами ЧПУ в составе ГАП.

В системах ЧПУ положение и необходимое перемещение различных движущихся узлов станка или руки робота задают с помощью условных чисел в трехмерной системе координат XYZ.При этом также может задаваться включение различных устройств (например, двигателей или клапанов), а также время выполнения операций. Преобразование шагов по координатам в сигналы  управления двигателями перемещения узлами осуществляет встроенная микроЭВМ. Программа загружается в нее либо с помощью бумажного или магнитного носителя, либо передается по каналу связи от управляющей ЭВМ верхнего уровня.

В зависимости от вида оборудования микроЭВМ может использовать различные принципы числового программного управления оборудованием, наиболее распространенными из которых являются супервизорное и прямое числовое управление.

В режиме супервизорного управления микроЭВМ получает исходную информацию о течение  технологического процесса и в соответствии с заданным алгоритмом управления может изменять настройку регуляторов, используемых в различном технологическом оборудовании. Таким образом, микроЭВМ осуществляет функции обратной связи в контуре управления. Задачей супервизорного управления является поддержание условий технологического процесса вблизи оптимальной рабочей точки путем оперативного воздействия на ход данного процесса. При супервизорном управлении в качестве  регуляторов используют специализированные  аналоговые и цифровые вычислители, которые преобразуют  управляющие сигналы микроЭВМ в сигналы управления для исполнительных механизмов.

При прямом числовом управлении микроЭВМ непосредственно управляет исполнительными механизмами, проводя все необходимые вычисления. Такой режим наиболее полно реализует возможности микроЭВМ в ГАП, так как все необходимые изменения технологического процесса или программы обработки детали на станке производятся в ГАП дистанционно путем изменения программы, управляющей ЭВМ, встроенной в оборудование. В распределенной системе управления гибким автоматизированным производством каждая микроЭВМ верхнего уровня управляет нескольких микроЭВМ нижнего уровня.      

 http://www.favorit2003.ru/auto-solutions.html

АВТОМАТИЧЕСКИЕ ИНФОРМАЦИОННЫЕ (ИДЕНТИФИКАЦИОННЫЕ) СИСТЕМЫ (АИС)

На Совете Росморфлота 08.10.1998 было предложено использовать аббревиатуру АИС, как "автоматическая информационная система". Основанием явилось внесение существенных изменений в функции системы в процессе ее развития, т.е. расширение информационного обмена, при которых функция "опознавания" сохранилась как одна из многих других. В дальнейшем предлагается использовать следующие термины.

"Автоматическая информационная система" (АИС) является морской навигационной системой, использующей взаимный обмен между судами, а также между судном и береговой службой, для передачи информации о позывном и наименовании судна для его опознавание, его координатах, сведений о судне (размеры, груз, осадка и др.) и его рейсе, параметрах движения (курс, скорость и др.) с целью решения задач по предупреждению столкновений судов, контроля за соблюдением режима плавания и мониторинга судов в море.

Режим АИС, управляемый береговыми службами (СУДС) для автосопровождения судов и контроля за их движением в обслуживаемой зоне, образует систему "автоматизированного зависимого контроля (САЗК)"

Для обмена данными (линия передачи данных) синхронизации, формирования и коммутации потоков информации используется судовое оборудование, называемое "универсальным транспондером".

Для организации обмена данными с судами в режиме САЗК и формирования потоков информации, исходящей от центра СУДС и береговых служб (МСКЦ) используется "базовая станция АИС". Она может работать в сети береговых станций АИС вдоль побережья с ретрансляцией информации в базовую станцию АИС.

Судовыми системами отображения АИС является система отображения электронных карт (ECDIS), САРП или персональный компьютер (в зависимости от наличия соответствующих интерфейсов).

Береговыми системами отображения АИС являются консоль оператора СУДС, ECDIS либо персональные компьютеры.

ЭКСПЛУАТАЦИОННЫЕ ВОЗМОЖНОСТИ.

Достоинства АИС при решении задач по предупреждению столкновений судов.

1 Благодаря взаимному обмену координатами судов, определенными с высокой точностью (с помощью ДГНСС - 5-10 метров), а также информацией о текущем курсе повышается точность определения параметров расхождения и, следовательно, эффективность расхождения судов в море.

2 Принцип обмена информацией между судами по радиолинии передачи данных через транспондеры исключает возможность переброса маркеров сопровождаемых судов-целей (swopping) при их сближении, что имеет место при работе САРП. В результате обеспечивается устойчивое и надежное автосопровождение судов, расходящиеся на узких фарватерах или проходящих вблизи плавающих навигационных знаков.

3 Благодаря взаимному обмену данными о гирокомпасном курсе практически в реальном времени, обеспечивается информация о направлении диаметральной плоскости судов-целей и их ракурсе, что способствует принятию правильного решения при расхождении. Маневр судна-цели легко обнаруживается как по изменению значения гирокомпасного курса, так и путем передачи значения скорости поворота, что позволяет устранить большие трудности, ранее возникавшие при использовании САРП.

4 На работу АИС не влияют осадки и волнение моря, как это имеет место сейчас при использовании РЛС. Это обеспечивает возможность наблюдения за малым судном-целью в условиях сильного волнения моря.

5 Предупреждению столкновений судов будет способствовать также взаимный обмен между участниками движения информацией о типе судна, его осадке, размерах и навигационных параметрах, а также о планируемых маневрах.

Достоинства АИС при использовании в Системах управления движением судов.

1 Непрерывное автоматическое опознавание контролируемого судна, что исключает необходимость применения малоэффективных дорогостоящих УКВ-радиопеленгаторов.

2 Высокая точность определения положения контролируемого судна при его движении по узкому каналу, которая достигается сопровождением сигналов АИС данными о местоположениях судна, полученным и от дифференциальной подсистемы ГНСС.

3 Возможность обнаружения маневра судна в реальном времени за счет контроля изменениями текущего (гирокомпасного) курса судна-цели.

4 Расширение зоны обслуживания СУДС за счет большей дальности действия АИС в сравнении с радиолокационным обзором.

5 Контроль за судами (оборудованными транспондерами), находящимися в теневых зонах БРЛС (изгиб мыса, остров) за счет лучшего распространения радиоволн УКВ-диапазона, на котором работают транспондеры.

6 Автоматический ввод в базу данных СУДС основных сведений о судне (наименование, размеры, осадка, наличие опасного груза, порт назначения, ЕТА и др.), которые используются в локальной вычислительной сети МАП для направления другим пользователями.

7 Высокая надежность автосопровождения контролируемого судна, в том числе при близком расхождении судов на канале и подходе судна к причалу порта (исключение возможности переброса маркеров сопровождения, характерных для радарных систем).

8 Контроль за судоходством на речных участках плавания без установки дополнительных РЛС.

9 Удобство регистрации информации AИС на электронных носителях и дальнейшее воспроизведение информации на экране.

10 Возможность прогнозирования пути следования судна.

Достоинства АИС при использовании морским Спасательно-координационным центром.

1 Знание позиций судов и их отображение на экране в зоне ответственности МСКЦ, а также их наименования, характеристик, наличия опасного груза и навигационных данных (местоположение, курс, скорость и др.), что способствует более полной оценке ситуации при оказании помощи в случае бедствия.

2 В аварийной ситуации каждое судно будет иметь информацию о наименованиях, местоположениях и навигационных данных других судов в радиусе действия УКВ-радиосвязи, что способствует скорейшему оказанию помощи.

3 Благодаря непрерывной работе транспондера на судне создается возможность передачи ближайшем судам и береговым службам, включенным в АИС, сигналов бедствия или срочности, содержащих сведения о происшествии.

4 Возможность взаимодействия (обмена информацией) с вертолетами, участвующими в поиско-спасательных операциях, и другими судами в районе бедствия.

Достоинства АИС при использовании береговыми службами.

1 Благодаря введению в базу данных СУДС и в локальную вычислительную сеть информации о местоположениях, характеристиках и навигационных данных всех судов в обслуживаемом районе может быть обеспечен эффективный контроль за ними со стороны портовых властей, Морских Администраций и других береговых служб, а также со стороны служб ФПС и ВМФ (в территориальных водах).

2 При входе в зону действия АИС судно автоматически передает навигационные данные (местоположение, курс, скорость), что позволяет береговым службам уточнить ожидаемое время прихода (ЕТА) и установить время начала обработки судна в порту.

3 Использование АИС на рыбопромысловых судах позволяет осуществлять контроль за ними в районе промысла.

4 При дальнейшем сопряжении Судового транспондера АИС со станцией спутниковой связи ИНМАРСАТ-С станет возможным осуществлять мониторинг флота в глобальном масштабе, включая прибрежные воды, рыболовную и экономическую зоны.

5 С помощью АИС может передаваться навигационная и метеорологическая информация на суда, плавающие в прибрежных водах.

Ограничения АИС.

1.Эффективное использование АИС возможно только при полномасштабном оснащении всех судов транспондерами. До наступления такого состояния АИС должна оставаться дополнительным средством, используемым в САРП и ECDIS наряду с радиолокационной информацией.

2. Нельзя рассматривать вопрос о будущей замене радиолокационных средств на АИС поскольку ее информация относится только к объектам, на которых установлены транспондеры, в то время, как радиолокатор позволяет наблюдать любые объекты, отражающие радиоволны (знаки навигационного ограждения, суда, береговую черту и др.).

3. В соответствии с решением ИМО только глобально применяемая АИС может стать инструментом для предупреждения столкновений и мониторинга судов. Это означает, что внедрению на судах подлежит только то оборудование АИС, параметры которого жестко регламентированы на международной основе. В этом случае будет обеспечена совместимость оборудования, установленного на разных судах, и высокая эффективность его использования.

 Основные функциональные требования

 В состав АИС должны входить:

связной процессор, способный управлять набором морских частот с

1. соответствующим методом выбора и переключения каналов, обеспечивая применение как для ближней, так и для дальней радиосвязи.

2. средство обработки данных от электронной системы местоопределения, обеспечивающее разрешение не хуже одной десятитысячной минуты дуги и использующее геодезическую систему координат WGS-84 .

3. средство автоматического ввода данных от других датчиков, перечисленной в п. 6.2;

4. средство ввода и восстановления данных вручную;

5. средство контроля достоверности передаваемых и принимаемых данных;

6. встроенное устройство контроля работоспособности.

остаточной для обеспечения точного сопровождения судна компетентной властью и другими судами.

Интерфейс пользователя

Для обеспечения доступа, отбора и отображения информации на отдельном устройстве, АИС должна иметь интерфейс, соответствующий международным морским стандартам к интерфейсам.

 Информация

Информация, предоставляемая АИС, должна включать:

1 Статическую:

ИМО номер (если имеется)

Позывной сигнал и название;

Длина и ширина судна;

Тип судна;

Расположение антенны системы местоопределения на судне (по отношению к носу, корме, правому, левому борту).

2 Динамическую:

Местоположение судна с указанием точности и целостности системы;

Время (UTC) (дата устанавливается приемным оборудованием);

Курс относительно грунта;

Скорость относительно грунта;

Курс судна;

Навигационный статус (состояние судна) (к примеру, не управляется, на якоре и т.д. - вводится вручную);

Угловая скорость поворота (где возможно);

Факультативно - Угол крена (если возможно);

Факультативно - Угол килевой и бортовой качки (если возможно).

3 Информацию, связанную с рейсом:

Осадка судна;

Опасный груз (тип);

Порт назначения и ЕТА (по усмотрению капитана);

Факультативно - план перехода (путевые точки).

4 Короткие сообщения относительно безопасности.

5 Частота обновления информации для автономного режима

Для различных типов информации, действующей в разное время, используется различная частота обновления (интервал)

Статическая - каждые 6 минут и по требованию;

Динамическая - в зависимости от скорости и изменения курса согласно таблице 1;

Информация, связанная с рейсом - каждые 6 минут, при изменении данных и по запросу;

Сообщение относительно безопасности - когда требуется.

Таблица 1

Состояние судна        

Интервал между сообщениями

Судно на якоре          

3 минуты

Скорость 0-14 узлов   

12 секунд

Скорость 0-14 узлов и меняющийся курс       

4 секунды

Скорость 14-23 узла   

6 секунд

Скорость 14-23 узла и меняющийся курс      

2 секунды

Скорость более 23 узлов       

3 секунды

Скорость более 23 узлов и меняющийся курс

2 секунды

Объем судовых сообщений - АИС должна обрабатывать не менее 2000 сообщений в минуту, чтобы адекватно обеспечить все эксплуатационные варианты.