В.Л. Конюх Технические средства автоматизации

10

многозвенных манипуляторов. Погрешность позиционирования. Погрешность отработки траектории. Аналоговые исполнительные устройства: серводвигатели, электрогидравлические усилители, струйные преобразователи. Дискретные исполнительные устройства: реле и контакторы, электропневматические клапаны, электрогидравлические распределители, сигнализаторы. Волновой редуктор. Преобразование команд управления объектом.

Литература: [1, c.62-66; c.77-88; 3-5].

Методические указания

Сопоставьте принципы мехатроники с традиционными системами автоматизации. Найдите технологические приложения циклового, позиционного и контурного управления движением механического элемента. Сравните цилиндрическую, сферическую, угловую и прямоугольную системы координат манипуляторов с позиции соединения звеньев манипулятора и формы рабочей зоны. Соотнесите виды управления движением звеньев с видами погрешности движения звеньев. Разделите области применения аналоговых и дискретных исполнительных устройств. Особенно важно понять работу электропневматического клапана и электрогидрораспределителя при управлении пневмоприводом и гидроприводом. Подумайте, для чего нужно преобразование команд управления объектом с выхода устройства управления.

Контрольные вопросы

1.На стыке каких наук появилась мехатроника? В чем ее идея?

2.Где применяют цикловое управление движением механического элемента?

3.Где применяют позиционное управление движением механического элемента?

4.Где применяют контурное управление движением механического элемента?

5.Какие виды соединения звеньев применяют в манипуляторах?

6.Чем манипулятор отличается от других механизмов?

7.Что такое погрешность позиционирования?

8.Что такое погрешность отработки траектории?

11

9.Чем аналоговые исполнительные устройства отличаются от дискретных?

10.Как обеспечить работу аналогового исполнительного устройства дискретными командами управления?

11.Чем отличаются реле и контакторы?

12.Как электропневматические клапаны управляют работой пневмопривода?

13.Как электрогидрораспределитель управляет работой гидропри-

вода?

14.Как работает волновой редуктор?

15.В какую сторону будет двигаться жесткое зубчатое колесо, ес-

ли:

• число зубцов мягкого колеса равно числу зубцов жесткого коле-

са?

•число зубцов мягкого колеса меньше числа зубцов жесткого колеса?

•число зубцов мягкого колеса больше числа зубцов жесткого ко-

леса?

16.Какие устройства преобразования команд управления объектом вводят между микроЭВМ и исполнительными устройствами?

2.4. Устройства управления

Управляющие устройства аналогового и логического типов. Системы автоматического регулирования. Устройства плавного пуска электродвигателей.

Регулирующие и логические программируемые контроллеры. Универсальные логические модули. Промышленные компьютеры. Развитие видов программоносителей. Мультиплексирование входов и демультиплексирование выходов программируемого логического контроллера. Программирование систем управления на языках стандарта

IEC 61131-3.

Литература: [1, c.92-114; 3-5; 6-9].

Методические указания

Выделите принципиальные отличия аналогового и логического управления. Сформулируйте, какие задачи решают системы автомати-

12

ческого регулирования. Определите, для чего нужны устройства плавного пуска электродвигателей. Разделите задачи регулирующих и логических программируемых контроллеров. Найдите, благодаря чему обеспечивается универсальность логических модулей. Перечислите отличия промышленных компьютеров от персональных компьютеров с позиции программного обеспечения и конструктивного исполнения. Свяжите требования автоматизации производства с требованиями к промышленным компьютерам. Сопоставьте возможности различных типов программоносителей. Свяжите объем памяти программоносителей с их размерами. Продумайте, что дает мультиплексирование входов и демультиплексирование выходов программируемого логического контроллера. Объясните причины стандартизации языков программирования управляющих систем. Сопоставьте между собой пять языков программирования управляющих систем. Найдите, какой из языков наиболее доступен непрограммирующему технологу. Изучите последовательность дистанционного программирования распределенных контроллеров.

Контрольные вопросы

1.Какие задачи решают управляющие устройства аналогового и логического типов?

2.Для чего применяют системы автоматического регулирования?

3.Что обеспечивают устройства плавного пуска электродвигателей

идля каких двигателей они применяются?

4.Чем программируемый логический контроллер отличается от персональной ЭВМ с позиции выполняемых задач, программного обеспечения и конструкции?

5.Чем регулирующие программируемые контроллеры отличаются от логических?

6.Для чего применяют универсальные логические модули?

7.Чем промышленные компьютеры отличаются от персональных компьютеров?

8.В какой последовательности развивались программоносители для программируемых систем управления?

9.На каком этапе развития программоносителей их размеры перестали зависеть от объема программы?

10.В чем заключается главное преимущество флэш-памяти?

13

11.Для чего вводят мультиплексирование входов и демультиплексирование выходов программируемого логического контроллера?

12.Почему стала необходима стандартизация языков программирования управляющих устройств?

13.Перечислите и охарактеризуйте языки программирования стандарта IEC 61131-3.

14.Чем программа на языке функционально-блочных диаграмм отличается от схемы соединения микросхем?

15.Как в системе SCADA осуществляют программирование распределенных контроллеров?

2.5.Передача сигналов

Каналы передачи информации. Линии связи. Параллельный и последовательный интерфейсы. Способы защиты линий связи от помех. Волоконно-оптическая линия связи. Промышленная шина. Протокол промышленной шины и его уровни. Структура телеграммы в промышленной шине. Кодирование сигналов Манчестерским кодом. CANсети и их применение.

Литература: [1, c.135-156; 3-5].

Методические указания

Перечислите виды линий связи и сопоставьте их возможности. Сравните достоинства и недостатки параллельного и последовательного интерфейсов передачи информации. Определите, чем канал связи отличается от линии связи. Сопоставьте виды помех в линии связи и способы защиты от них. Изучите принцип передачи электрических сигналов по волоконно-оптической линии связи. Сравните передачу сообщений по промышленной шине с движением автомобилей по магистрали. Сопоставьте задачи семи уровней протокола промышленной шины и обоснуйте необходимость каждого уровня. Выделите части телеграммы в различных протоколах промышленных шин и найдите общие признаки телеграмм разных протоколов. Разберитесь, почему Манчестерский код обладает наибольшей надежностью передачи цифровой информации. Выделите отличия CAN-сетей от промышленных шин.

14

Контрольные вопросы

1.Что такое линия связи?

2.Чем канал связи отличается от линии связи?

3.Какие виды линий связи применяют при автоматизации производства?

4.Чем параллельный интерфейс отличается от последовательного?

5.Какие виды помех воздействуют на линию связи?

6.Как обеспечить защиту от помех?

7.Почему волоконно-оптическая линия связи имеет высокую помехозащищенность и исключительно большую пропускную способность?

8.Чем промышленная шина отличается от обычного канала передачи информации по двум проводам?

9.Что такое протокол промышленной шины?

10.Перечислите известные протоколы промышленных шин.

11.Что регламентирует каждый из семи уровней протокола промышленной шины?

12.Как защищают сообщение, передаваемое по промышленной шине, от ошибок?

13.Что общего в телеграммах разных протоколов промышленных

шин?

14.Как разделить следующие друг за другом одинаковые биты информации?

15.Как отличить логический ноль от отказа датчика?

16.Какие протоколы обеспечивают питание устройств, подключенных к промышленной шине?

17.Для каких объектов управления применяют CAN-сеть?

18.Чем CAN-сеть отличается от промышленной шины?

2.6.Примеры автоматизации производства

Общие принципы автоматизации производства. Гибкость, открытость и прозрачность компьютерно-интегрированного производства. Системы компьютерной диспетчеризации. Микропроцессорный контроль и учет расхода энергии. Автоматизация машиностроительного производства. Компьютерная автоматизация в отраслях промышленно-

15

сти. Тенденции развития датчиков, исполнительных устройств, устройств управления и каналов обмена информацией в автоматике.

Литература: [1, c.183-202; 3-5; 6-9].

Методические указания

Изучите принципы автоматизации производства и причины, по которым они были выработаны. Выявите связь компьютерной автоматизации с появлением свойств гибкости, открытости и прозрачности производства. Разделите эти свойства между собой. Установите, какие новые возможности диспетчеризации открывает применение систем SCADA. Сопоставьте между собой известные системы SCADA. Выявите источники эффективности от перехода к системе компьютерного контроля и учета расхода энергии на предприятии. Свяжите информационные технологии производства с быстрой адаптацией к рынку, организацией распределенного производства, взаимосвязью автоматизированных систем проектирования, подготовки производства и изготовления. Проанализируйте, какие новые источники эффективности образовались вследствие компьютерной автоматизации производства. Найдите общие и разные свойства компьютерной автоматизации в разных отраслях промышленности, используя информацию в журналах "Современные технологии автоматизации", "Мир компьютерной автоматизации", сети Интернет.

Контрольные вопросы

1.Почему целью автоматизации стало повышение эффективности производства, а не замена ручного труда?

2.Почему автоматизация отдельных звеньев технологической цепи неэффективна?

3.Чем системный подход к автоматизации отличается от несистемного?

4.Что такое эмерджентность?

5.Что такое системная интеграция?

6.Какие схемы взаиморасчетов применяют поставщик и потребитель энергии?

7.Кому выгоден многоставочный тариф при оплате энергии?

16

8.Какие новые задачи способна решать микропроцессорная система учета и контроля расхода энергии?

9.Какой тип числового программного управления применяют в гибких производственных системах?

10.Чем концепция САПР/АСТПП/ГПС отличается от концепции САПР+АСТПП+ГПС?

11.Какова последовательность обмена информацией между подсистемами гибкого производства в машиностроении?

12.За счет чего обеспечивается гибкость производства при компьютерной автоматизации?

13.Что дает оснащение встроенных программируемых контроллеров серверами для выхода в сеть Интернет?

14.Как быстро восстановить работу оборудования в открытом производстве?

15.Как развиваются датчики, исполнительные устройства, устройства управления и каналы обмена информацией в современной автоматике?

2.7. Лабораторные занятия, их наименование и объем

Выбор средств автоматизации для управления роботизированным технологическим комплексом холодной листовой штамповки - 2 часа

Изучение программных комплексов SCADA - 2 часа

3. МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ ПО ВЫПОЛНЕНИЮ КОНТРОЛЬНОЙ РАБОТЫ

3.1. Цель работы

Планирование заказа на средства автоматизации с помощью метода ветвей и границ.

3.2. Основные понятия

Метод ветвей и границ относится к методам линейного программирования. Он сводится к решению задачи о ранце: какие предметы разных размеров уложить в ранец ограниченного объема, чтобы суммарная ценность предметов была максимальной? Каждый из n предме-

17

тов обладает двумя свойствами: ценностью сi и объемом qi. Общий объем предметов превышает объем ранца:

n

∑qi Q .

i=1

В приложении к автоматизации производства задача ставится следующим образом. На приобретение средств автоматизации вам выделена некоторая сумма Q. Рынок предлагает разнообразные средства автоматизации, каждое из которых обладает некоторой ценностью для производства сi и некоторой стоимостью qi. Какие средства автоматизации приобрести, чтобы их общая ценность была максимальной, а суммарные затраты на их приобретение не превысили выделенную сумму Q ?

Формирование набора средств автоматизации методом ветвей и границ заключается в следующем.

1. Для каждого из предлагаемых средств оценивают отношение его ценности сi к стоимости qi.

2. Ранжируют средства в порядке убывания сi / qi.

3. Определяют суммарную ценность набора средств для случаев покупки или отказа от покупки первого средства, считая, что все остальные средства будут приобретены.

Покупка: с1 1 +с2 1 +K+си 1

Отказ от покупки: c1 0 + c2 1 +...+ cn 1.

4. Проверяют, не превысят ли суммарные затраты выделенную сумму Q при покупке первого средства:

Покупка: q1 1 + q2 1+...+ qn 1 ≤ Q.

Если суммарные затраты превышают Q, то вычеркивают из плана покупок последнее средство. Соответственно вычеркивают последний датчик из формул суммарной ценности при покупке или отказе от покупки первого средства с1. Если затраты по-прежнему превышают Q, то вычеркивают также предпоследнее средство и рассчитывают суммарную ценность без последнего и предпоследнего средств.

5.Сравнивают суммарные ценности для случаев покупки и отказа

от покупки средства с1, затем выбирают из них вариант с максимальной ценностью для потребителя.

6.Далее оценивают целесообразность покупки следующего датчика с2 с учетом уже принятого решения относительно датчика с1.

18

3.3. Задание (номер варианта задания соответствует порядковому номеру фамилии студента в журнале группы)

На приобретение средств автоматизации вам выделена сумма Q. На рынке имеются пять видов нужных вам средств. Каждое из них имеет определенную ценность аi и стоимость qi (табл. 2).

Таблица 2

Характеристики средств автоматизации

СРЕДСТВО	a1 / c1	a2 / c2	a3 / c3		a4 / c4	a5 / c5	Q
Вариант 1	5 / 2	6 / 3	4	/ 2	3 / 2	6 / 2	7
Вариант 2	4 / 3	5 / 2	7	/ 4	6 / 3	5 / 2	10
Вариант 3	3 / 1	4 / 2	8	/ 3	8 / 4	6 / 4	9
Вариант 4	2 / 1	3 / 2	6	/ 3	5 / 3	8 / 3	11
Вариант 5	7 / 3	8 / 5	5	/ 2	7 / 2	6 / 4	12
Вариант 6	4 / 1	6 / 5	3	/ 3	8 / 5	6 / 2	13
Вариант 7	2 / 3	4 / 2	1	/ 2	7 / 4	8 / 5	7
Вариант 8	7 / 4	8 / 5	6	/ 4	3 / 2	2 /1	11
Вариант 9	11 / 5	10 / 4	12 / 5		13 / 6	12 / 7	22
Вариант 10	12 / 8	15 / 6	13 / 4		14 / 7	15 / 8	25
Вариант 11	14 / 3	11 / 7	12 / 7		11 / 5	10 / 4	22
Вариант 12	9 / 5	14 / 3	11 / 7		12 / 3	11 / 6	20
Вариант 13	11 / 7	12 / 5	15 / 5		13 / 4	16 / 5	18
Вариант 14	13 / 7	11 / 6	12 / 5		15 / 7	18 / 8	28
Вариант 15	11 / 8	10 / 3	9	/ 4	10 / 6	17 / 5	21
Вариант 16	9 / 4	12 / 7	8	/ 5	7 / 4	8 / 3	18
Вариант 17	12 / 7	6 / 4	7	/ 5	6 / 5	9 / 6	22
Вариант 18	13 / 4	16 / 7	11 / 7		16 / 7	14 / 5	23
Вариант 19	11 / 7	13 / 8	14 / 9		13 / 5	10 / 7	29
Вариант 20	10 / 7	11 / 6	10 / 5		9 / 5	12 / 7	24
Вариант 21	14 / 3	12 / 5	11 / 5		15 / 6	13 / 7	19
Вариант 22	9 / 5	11 / 7	10 / 6		12 / 8	11 / 9	30
Вариант 23	12 / 8	13 / 7	11 / 5		16 / 9	10 / 7	31
Вариант 24	11 / 8	15 / 9	18	/ 13	11 / 7	16 / 9	39
Вариант 25	10 / 7	13 / 8	17 / 9		12 / 7	15 / 8	33

19

1.Используя метод ветвей и границ, найдите набор средств, имеющий максимальную ценность. Стоимость набора не должна превышать выделенную сумму Q.

2.Постройте схему принятия решений по выбору средств, в которой укажите условия выбора каждого решения.

3.Ответьте на контрольные вопросы:

•зачем нужно ранжировать средства в порядке убывания отношения ai / qi ?

•изменится ли выбранный набор, если поменять местами средст-

ва в таблице после ранжирования?

• почему из плана покупок при выборе решения о покупке первого средства вычеркивают последнее, а не любое другое средство?

•	n
	какие средства будут выбраны, если ∑qi ≤ Q ?
	i=1

• что вы понимаете под ценностью для потребителя контроллеров, датчиков, исполнительных устройств, программного обеспечения?

Контрольная работа должна содержать:

1)название работы;

2)исходные данные варианта;

3)расчеты суммарных ценности и стоимости для случаев выбора и невыбора средства автоматизации;

4)схему принятия решений относительно каждого средства автоматизации;

5)перечень выбранных средств с обоснованием выбора;

6)ответы на контрольные вопросы.

4.ВОПРОСЫ К ЭКЗАМЕНУ ПО ДИСЦИПЛИНЕ

1.Предпосылки автоматизации производства.

2.Развитие и изменение целей автоматизации.

3.Непрерывные процессы и их автоматизация.

4.Дискретные процессы и их автоматизация.

5.Методы получения модели объекта.

6.Методы формализации модели управления объектом.

7.Принцип разомкнутого управления.

8.Управление с компенсацией возмущений.

9.Управление по отклонению.