по трэс

Рис.16.22. Планировка участка сборки ТЭС с элементами ГАП:

1 – модуль установки ИМС; 2,3 –	модули установки ЭРЭ; 4 – рабочее место установки ЭРЭ;
5 – транспортный робот; 6	– автооператор СТАС-50; 7 – автоматический склад;

8 – установка сушки; 9 – робот-загрузчик; 10 – установка пайки; 11 – установка отмывки; 12 – рабочее место контроля и допайки;

13 – рабочее место мастера; 14 – управляющие ЭВМ

ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ

1.Этапы и стадии автоматизации производства.

2.Критерии автоматизации.

3.Основные тенденции в автоматизации производства.

4.Виды автоматических линий и их основные параметры.

5.Методика проектирования однопредметной непрерывно-поточной линии.

6.Промышленные роботы и их характеристики.

7.ГПС в производстве РЭУ.

368

17. АВТОМАТИЗИРОВАННЫЕ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ И ПРОЕКТИРОВАНИЯ

ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА

17.1.ПРИНЦИПЫ И МОДЕЛИ УПРАВЛЕНИЯ

Втечение длительного времени прогресс общественного производства определялся в основном уровнем технологических процессов, энерговооруженностью и технической оснащенностью. В современном производстве наряду с этим все большее значение приобретают вопросы управления.

Управление — совокупность действий, выбранных на основе определенной информации и направленных на поддержание или улучшение функционирования технологических систем. Процесс управления предполагает наличие объекта управления, информации о его состоянии и системы управления. В технологических системах оборудование и машины являются объектами управления, а человек — субъектом управления. Функцию управления человек выполняет либо при непосредственном управлении машинами и оборудованием, либо через комплекс технических средств автоматизированного управления.

Структура любого предприятия включает две основные подсистемы: производства и управления.

Вподсистеме управления решаются задачи: технико-экономического планирования, управления технологической подготовкой производства, оперативного управления, управления материально-техническим снабжением.

Для разработки автоматизированной системы управления (АСУ) необходимо перевести на машинную обработку информацию: оперативно-календарного планирования (диспетчерских служб, плановодиспетчерского отдела), оперативного учета и контроля качества изделия (отдела технического контроля), анализа и оперативного регулирования производственных процессов (программно-управляемого или микропроцессорного технологического оборудования).

Основной единицей в АСУ предприятием являются цеховые АСУ, при создании которых используют принципы: управляемости по вертикали (АСУ цеха является подсистемой АСУ предприятия); организации горизонтальных связей между цехами (обеспечивают основное и вспомогательное производство и транспортные операции); иерархии АСУ на базе локальных сетей микроЭВМ, мини-ЭВМ, а также микропроцессоров, встроенных в технологическое оборудование.

Наиболее часто перед АСУ стоит задача управления запуском партий изделий и минимизации показателя технологической себестоимости среднестатистической партии изделий:

n	k
Cт = min ∑	(M i + Зi ) Ni + ∑ Si		Ni ,
i=1	i=1
где n — количество наименований изделий; Mi —	материалы; 3i —	заработная плата; Ni — программа; k — ко-

личество групп однотипного оборудования; Si — накладные расходы.

Задача оптимизации решается путем значительного сокращения затрат на заработную плату производственных рабочих и определенного увеличения накладных расходов на эксплуатацию более совершенного технологического оборудования. Алгоритм управления запуском партии (рис. 17.1) включает: определение технического состояния производства, обеспеченности заказа материалами и комплектующими, расчет технологической себестоимости и определение оптимальных значений n и Ni.

Для построения управляемых технологических процессов, для которых определены статистические значения выходных параметров, по каждой операции устанавливается взаимосвязь входных и выходных параметров процесса, определяются методы воздействия на параметры процесса. Синтез оптимальных систем управления осуществляется с помощью различных методов. Задача синтеза состоит в обеспечении надежности функционирования и точности достигаемых параметров.

369

Блочный метод синтеза основан на предположении, что каждая операция представляет собой определенный блок и снижение процента брака достигается снижением дисперсии отдельных блоков. Выходная функция Yi

зависящая от количества блоков m и входных параметров X1, X2, …,

Xi,

m

Yi

{Y }= min ∑

бл{X

}, Y = F (X

, X

,..., X

).

i

1

2

i

i

X i

i

i−1

1

Вход

Расчет технологической

Определение наличия

себестоимости и

оборудования и

определение оптим.

трудовых резервов

значений n и Ni

Определение наличия

комплектующих и

Нет

материалов

Cm=min

Нет

Заказ

Да

обеспечен

Запуск изделия в

Да

производство

1

Рис. 17.1. Алгоритм управления запуском партии

Для реализации блочного метода необходимо обеспечить точную настройку технологического оборудования на центр группирования, что является сложным для многих операций. Поэтому в технологическом процессе выделяют критические операции и обеспечивают стабилизацию их параметров. Используются в основном системы с жесткой связью.

В основу комплексного метода положены математическое описание технологического процесса и его оптимизация, включающая методы, указанные в табл. 17.1.

	Табл. 17.1. Методы оптимизации технологического процесса
Наименование метода		Применение
Корреляционный анализ		Нахождение взаимосвязи параметров технологического процесса путем определения коэф-
		фициента корреляции и построения уравнения регрессии:
		Пвых = a0 + a1 Пвх ; a1 = r	σ(Пвых )
			σ(Пвх )
Факторный анализ			n		n	n
		Получение математической модели процесса вида Пвых =b0 + ∑bi			Xi +∑bij Xi X j	+∑bii Xi2
			i=1		i=1	i=1
Метод наименьших квадратов		Определение по экспериментальным данным математического зна-
		чения функции путем минимизации квадратичных отклонений в зависимо-
		сти от предполагаемого вида функции:
		n
		min(f (X i )−Yi )= ∑(f (X i )−Yi )2
		i=1
Метод наименьших квадратов		Статистическая оценка процесса путем минимизации функции правдоподобия:
		min F (X1, X 2 , X 3 )= Y (X1 )Y (X 2 )Y (X 3 ) Y (X i ),
		где Y — плотность распределения

370

Метод ранжирования	Присвоение конечных оценок качества параметрам изделия по априорно принятому закону
Метод динамического програм-	Поиск оптимальных решений с использованием систем управлений, связывающих выход-
мирования	ные и входные параметры процесса или изделия
Метод вариационного исчисления	Определение неизвестных функций, которые обеспечивают экстремальное значение инте-
	грала определенного типа

Корреляционный анализ применяют в серийном производстве ввиду минимальных затрат на его проведение, однако он не оптимизирует процесс при большом числе факторов.

Метод наименьших квадратов легко реализуется для простых зависимостей, для более сложных требуется более сложная обработка данных. Факторный анализ позволяет установить зависимости между большим числом независимых параметров и выходным параметром в виде модулей, которые в дальнейшем можно оптимизировать.

17.2. АСУТП И ОСНОВНЫЕ ФУНКЦИИ ПОДСИСТЕМ

Для управления простым технологическим процессом, состоящим из одной или нескольких операций, применяется схема с обратной связью (рис. 17.2, а), которая обеспечивает функционирование процесса Y при управляемом входе X с целью получения заданного выхода Z. Под выходом Z понимают параметры готового изделия, удовлетворяющие заданным требованиям. Под входом X подразумеваются материалы, комплектующие, технологическое оборудование, нормативно-техническая документация. Управление качеством продукции осуществляется по контролю выходных параметров и изменению входа в соответствии с данными, поступающими от систем управления, а также в результате обратных связей. Схема используется, если выходные параметры изделия связаны с входными параметрами процесса функциональными или корреляционными зависимостями (в данном случае воздействие на параметры технологических операций не оказывается).

а

Управление Ограничения

Вход X			Процесс Y			Выход Z

Обратная

связь

б
	Управление
Вход X	Процесс Y	Выход Z
Система контроля, запоминания, анализа
	Проект
	решения

Рис. 17.2. Схемы управления простым (а) и сложным (б) технологическими процессами

Управление сложными процессами зависит от информации, получаемой от каждой операции технологического процесса и обработки этой информации в виде, удобном для принятия решения оператором (рис. 17.2, б). Эта схема позволяет по накопленным статистическим данным наблюдений (или по специально спланированным экспериментам) устанавливать степень влияния входных параметров и характеристик процесса на конечный результат, который используется для создания человек-машинной АСУТП. Такие АСУТП нашли широкое

371

применение в производстве вследствие простоты эксплуатации и экономичности, но они ограничены по количеству и сложности управляющих операций, так как оператор в силу своих психофизиологических свойств не может обеспечить заданное качество управления.

Примером человеко-машинной системы является АСУТП на базе мини-ЭВМ (рис. 17.3), в состав которой входят ветви сбора информации, передачи управляющих воздействий и связи с оператором. В качестве первичных источников информации могут использоваться как простейшие датчики (термопара), так и цифровые измерительные приборы. Система предназначена для контроля технологических режимов, сортировки изделий в пределах поля допуска и регулировки технологических режимов. Недостатки системы — невысокое быстродействие и уменьшение выхода годных изделий в результате возможных сбоев системы.

												ЭВМ
						3						3							3								5
					2									2								4						6
1
					2									2								4
1
. . . . . .																	. . . . . .
					2									2								4
1
					Рис. 17.3. АСУТП на базе мини-ЭВМ:

1 – первичные источники информации; 2 – блоки преобразования АЦП и ЦАП; 3 − устройство сопряжения с ЭВМ; 4 – электромагнитные и электромеханические исполнительные уст-

ройства; 5 – периферийные устройства; 6 –					оператор
	Вход				Выход
			Процесс Y

Эталонные

значения

САР

Рис. 17.4. Система управления с жесткой связью

Автоматические системы управления подразделяются на системы с жесткой связью, программного и оптимального управления. Основной задачей систем с жесткой связью (рис. 17.4) является стабилизация параметров ТП на заранее установленном уровне с помощью эталонных значений. Эталонные значения вводятся по нескольким каналам и поддерживают режимы технологических операций, выходные параметры изделия в заданных пределах. Недостатками системы являются ограничение выходных функций для числа технологических параметров и технологических операций, а также отсутствие гибкости управления.

372

а

б

Вход

Выход

Вход

Процесс Y

Выход

Процесс Y

САР

САР

СОП

СЗП

Целевые функции

Рис. 17.5. Системы логико-программного (а) и оптимального (б) управления

Программное управление (рис. 17.5, а) осуществляется с помощью систем задания программ (СЗП) и позволяет изменять параметры технологических операций в соответствии с изменяющимися условиями производства.

Системы оптимального управления (рис. 17.5, б) позволяют обеспечивать наилучшие режимы выполнения операций для заданного качества изделия, что достигается за счет математического описания процесса и оптимизации его по одной или нескольким целевым функциям в системе оптимизации программы (СОП).

17.3. ТЕХНИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА АСУТП

Для реализации систем управления требуется наличие универсальных технологических датчиков и регуляторов. Технологический датчик — это устройство, преобразующее контролируемый технологический (физический) параметр в нормализованный выходной сигнал постоянного тока или напряжения. В зависимости от назначения датчики могут быть одноили двухуровневыми.

Одноуровневая структура датчика применяется в случае использования информации о технологическом процессе в непосредственной близости от технологического оборудования (например, в локальной автоматике) и строится в зависимости от назначения по одной из схем, приведенных на рис. 17.6. В качестве вторичных преобразователей могут использоваться датчики емкостного и индуктивного типов, фотоприемники, кондуктомеры и др.

1			2	0 − 5 В				3						4		0 − 5 В
				(0 − 5 мА)
													0 − 10 В
			5			6				2
													(0 − 5 В)

Рис. 17.6. Схемы одноуровневых технологических датчиков:

1 – активный чувствительный элемент; 2 – входной усилитель-нормализатор; 3 – пассивный чувствительный элемент; 4 – вторичный преобразователь; 5 – термодатчик; 6 – преобразователь термозависимое сопротивление

– напряжение

Двухуровневые датчики применяют в тех случаях, когда информационный сигнал о состоянии технологиче-

373

ского процесса необходимо передать на значительное расстояние (например, в помещение, где установлена ЭВМ) от технологического оборудования в условиях промышленных электропомех. Выходной сигнал от одноуровневого датчика 1 преобразуется в частотный сигнал модулем ПНЧ 2 и передается по длинной линии на вход модуля ПЧН 3, где происходит гальваническое разделение входных и выходных цепей, демодуляция и усиление сигнала до нормализованного значения 0—5 В (рис. 17.7).

II уровень

I уровень
1	0 – 5	В	2	2 – 4	кГц	3	0 – 5	В

Длинная линия

Рис. 17.7. Схема двухуровневого технологического датчика

Для создания микропроцессорных АСУТП необходимы специальные технические средства управления — микропроцессорные комплексы (МПК). Микропроцессор — программно-управляемое устройство, осуществляющее прием, обработку и выдачу цифровой информации. В состав МПК входят: базовый процессор, БИС памяти (ПЗУ), БИС устройства ввода-вывода, системный контроллер, генератор тактов. Минимальное количество МПК образует простейший модуль — микроконтроллер (рис. 17.8), состоящий из дешифратора состояний (ДшС), формирователя команд сигналов (ФКС), устройства управления (УУ), формирователя управляемых сигналов (ФУС).

ДшС ФКС

УУ ФУС

Рис. 17.8. Схема микроконтроллера

Благодаря высокой автономности, малым габаритам и небольшой потребляемой мощности микроконтроллеры встраиваются прямо в технологическое оборудование. МПК классифицируют:

∙ п о	ч и с л у Б И С —	на однокристальные, многокристальные, секционные;
∙ п о	н а з н а ч е н и ю —	на специализированные (один тип оборудования) и универсальные;
∙ п о	р а з р я д н о с т и	ф о р м а т а чисел на 2, 4, 8, 12, 16, 32 и 64-разрядные;
∙ п о	н а б о р у к о м а н д : 50—120;
∙ п о	в р е м е н и ц и к л а в ы п о л н е н и я к о м а н д ы — 2—10		мс (МОП– технология) и 50—200 нс (би-

полярная технология).

Хронологически, а также с учетом повышения разрядности и функциональных возможностей микропроцессорных БИС можно выделить несколько семейств фирмы Intel: 8086/88 (аналоги в СНГ — К1810 и К580– 8 разрядов), 80186, 80286, 80386. Комплект ИМС семейства 80386 обеспечивает расширение разрядности обрабатываемых данных до 32 разрядов при сохранении аппаратной и программной совместимости с предыдущими 16-разрядными семействами. Повышенное быстродействие МП 80386 позволило им в начале 90-х гг. занять ли-

374

дирующее положение. В семействе МП 80486 сохранен подход аппаратно-программной совместимости, включена КЭШ– память, реализована обработка данных с плавающей точкой. Микропроцессор Pentium (P5) Intel имеет 64-разрядную внешнюю шину данных, раздельные КЭШ– памяти команд. Процессор Intel Core 2 Duo также имеет 64 разрядную шину, однако 2 ядра и КЭШ– память 2х2 Мбайта.

Для создания АСУТП необходима компоновка МПК в единую локальную сеть управления. Такая сеть включает блоки сбора данных и центральный микропроцессорный модуль, имеющий устройство внешней памяти. Блок сбора данных состоит из мультиплексора, микропроцессорного модуля, интерфейса, АЦП и буфера (рис. 17.9). Аналоговый мультиплексор позволяет по программе опрашивать первичные преобразователи и вводить информацию через АЦП в микропроцессорный модуль.

	МПМ
	Интерфейс	Шина Д
	Адресный
ПП	мульти-
	плексор
ПП	АЦП	Буфер
	Рис. 17.9. Аналоговый мультиплексор

Назначение основного блока — представление информации в программированной последовательности в локальную сеть управления, которая строится по трем схемам: кольцевая, "звездная" и комбинированная. Кольцевая схема (рис. 17.10, а) использует устройство связи, которое управляет работой отдельных блоков сбора данных и формирует информацию для центрального микропроцессорного модуля. Ее достоинства — минимальная длина связи между БСД и центральным МПМ, а недостатки — малое быстродействие, сложность обмена информацией между отдельным блоком сбора данных и центральным МПМ.

а

б

ПП ПП

ПП ПП

Интерфейс

МН

∙ ∙ ∙

∙ ∙ ∙

БСД

∙ ∙ ∙

БСД

УС

Центральный МПМ

ПП

Центральный

Интерфейс

ПП

МПМ

∙

БСД

∙ ∙ ∙

БСД

∙

∙

∙

∙

∙

ПП

ПП

МН

Рис. 17.10. Кольцевая (а) и ” звездная” ( б) схемы построения микропроцессорных АСУТП

"Звездная" схема (рис. 17.10, б) устраняет недостатки кольцевой схемы, при этом каждый БСД замыкается непосредственно на центральный МПМ. На практике часто используют комбинированные схемы, когда для

375

оборудования, требующего быстрой реакции, используют "звездную" схему, а для медленно работающего оборудования — кольцевую. При построении сетей необходимо учитывать проблемы, связанные с организацией передачи данных на более протяженное расстояние и помехозащищенностью каналов.

Вычислительные сети древовидной или звездообразной конфигурации характерны в большей степени для верхних уровней ГАП, имеющих следующие количественные характеристики: объем данных 106—10 10 бит/с, длина сети 1—5 км, скорость передачи данных 10 Мбит/с.

Однако для типичных уровней ГАП применение традиционной вычислительной техники экономически не оправдано, поскольку эти уровни имеют следующие характеристики: большое число элементов управления, распределенных по группам и размещенных на расстоянии 20—200 м, интенсивность объема 102—10 3 бит/с, время выработки управляющего воздействия 10—1000 мс. Поэтому для нижних уровней ГАП применяют локальные вычислительные сети, в которых реализуются принципы комплексирования и коллективного использования микро- и мини-ЭВМ. Главные преимущества таких локальных вычислительных сетей — высокая производительность обработки данных, мобильность и расширяемость, высокая надежность и живучесть, низкая стоимость.

Основными компонентами локальных вычислительных сетей являются физическая среда передачи данных, топология сетей и метод доступа к физической среде.

В современных локальных вычислительных сетях широко применяются следующие типы физической среды передачи данных (табл. 17.2): витая пара проводов, коаксиальный кабель с дискретной сигнализацией, коаксиальный кабель с аналоговой сигнализацией, оптоволоконный кабель.

Основные недостатки витой пары — низкая скорость передачи данных (до 1 Мбит/с) и узкая полоса пропускания, которые ограничивают применение телефонных абонентских каналов для связи персональных ЭВМ с печатающими устройствами, накопителями на магнитных дисках.

Табл. 17.2. Характеристики физических сред передачи данных

Тип физической среды передачи,	Полоса пропус-	Число термина-	Протяженность без повторителя	Трудоем-	Помехоза-	Стоимость
скорость передачи	кания	лов		кость про-	щищен-
				кладки	ность
Витая пара, до 1 кБит/с	Узкая, до 3 кГц	Малое	Малая	Средняя	Низкая	Низкая
Коаксиальный кабель с	Средняя	Среднее	Средняя до 2 км с повто-	Малая	Высокая	Средняя
дискретной сигнализацией,			рители до 10 км
до 10 кБит/с
Коаксиальный кабель с	Широкая,	Большое	Большая, с повторителем	Средняя	Высокая	Высокая
аналоговой сигнализацией	0—400 МГц		до 50 км
Оптоволоконный кабель,	Очень широкая	Малое	Очень большая	То же	Очень	Очень вы-
до 150 кБит/с					высокая	сокая

Для управления небольшим количеством оборудования используют микровычислительные системы СМ 50/10, в которые входят: терминал на базе микровычислительного комплекса, два периферийных устройства (дисплей, печатающее устройство).

Терминал с объемом памяти до 64 кБ осуществляет обработку сигналов, которые поступают от первичных преобразователей, установленных на оборудовании (рис. 17.11, а).

Для управления технологическим оборудованием в пределах участка на базе терминалов и персональных ЭВМ создается локальная сеть управления. Концентратор СМ 50/10 выполняет функции устройства согласования для кольцевой схемы управления (рис. 17.11, б).

376

а

б

Дисплей

Печатающее

ПЭВМ

устройство

Терминал

СМ 50/10

Печатающее

Концентратор

СМ 50/10

устройство

Технологическое

Терминал

∙ ∙ ∙

Терминал

оборудование

СМ 50/10

СМ 50/10

Технологический процесс

Рис. 17.11. Конфигурации схем управления

Для участка ГАП строится локальная сеть управления на базе мини-ЭВМ (рис. 17.12).

ПУ	Мини – ЭВМ	НМЛ
МикроЭВМ	МикроЭВМ	МикроЭВМ
1	2	3
		4

Рис. 17.12. Локальная сеть управления ГАП:

1 – автоматический тестер; 2 – транспортный робот; 3 – робот-загрузчик; 4 – автоматический склад

В качестве микроЭВМ нижнего уровня используются "Электроника-60", "Электроника НЦ-80" с максимальным объемом памяти 64 кБ, на верхнем уровне — микроЭВМ СМ 1810 с памятью до 100 МБ. МикроЭВМ применяют для управления технологическим процессом на отдельном технологическом оборудовании, например для контактной точечной микросварки деталей (рис.17.13). Для реализации высокой механической прочности необходимо контролировать и управлять следующими параметрами: силой тока сварки, проходящего через электроды; напряжением между электродами; усилием сжатия электродов; толщиной свариваемых деталей. В качестве управляющей микроЭВМ используется "Электроника-60". Для получения первичной информации о параметрах сварки на сварочной машине размещены датчики и усилители сигналов. Для преобразования аналоговой информации в цифровую и обратно используются блоки АЦП и ЦАП. Связь оператора с системой управления осуществляется с помощью терминалов и печатающих устройств, а загрузка данных о технологическом процессе — с ГМД. Данная система позволяет с частотой 50 кГц считывать с датчиков информацию, производить преобразование данных, строить графические зависимости Рсв и Qсв от параметров сварки и толщины деталей h. Это автоматизирует процесс контроля параметров и поддерживает их оптимальные значения.

377