Тема 2. Поняття системи керування

 

Основні терміни та визначення

Під керуванням розуміють процес організації такого ціле­спрямованого впливу на об’єкт керування, у результаті якого останній переходить у необхідний стан (за визначенням акаде­міка А.І. Берга). Для реалізації цього процесу використовують різноманітні пристрої керування.

Пристроєм керування називається пристрій, який забезпе­чує формування керувального впливу на об’єкт керування (ОК), що відповідає алгоритму його роботи. Пристрій, який виконує ці функції без участі людини, називається автоматичним при­строєм керування.

Сукупність ОК і пристрою керування, взаємодія яких за­безпечує виконання поставленого завдання, називають сис­темою автоматичного керування (САК). До складу такої си­стеми входить окрім ОК й пристрою керування, задавальний пристрій, що формує необхідний закон зміни початкого ста­ну ОК.

Поняття “керування” включає поняття “регулювання”. Ре­гулювання полягає в досягненні такої діяльності системи, при якій усуваються всі відхилення параметрів стану системи на її виході від заданих значень. Необхідні значення параметрів, що визначають бажаний хід технологічного процесу в тому або ін­шому об’єкті без участі людини, забезпечує система автоматич­ного регулювання.

Перебіг керованого технологічного процесу чи операції в технологічній машині можна розглядати як послідовність її ста­нів, що змінюють один одного в заданих порядку та режимі. Процес керування технологічною машиною полягає у виконан­ні завдань двох типів:

·        забезпеченні необхідної послідовності переходу техноло­гічної машини з одного стану в інший, тобто забезпеченні ви­конання технологічних переходів у заданій послідовності;

·        забезпеченні перебування технологічної машини в пев­ному стані, тобто забезпеченні значення технологічного режи­му в заданих межах.

САК, які виконують перше завдання, називають система­ми програмного керування. Під програмним керуванням розу­міють процес організації такої цілеспрямованої зміни стану ОК у результаті якої останній виконує задану послідовність робіт.

Для системи автоматичного регулювання визначений ком­плекс завдань другого типу. Принцип дії будь-якої такої систе­ми полягає у виявленні відхилень регульованих параметрів, які характеризують стан об’єкта, від необхідних для заданого перебігу процесу значень, а також у впливі на об’єкт або про­цес для усунення цих відхилень.

 

Елементи систем автоматичного керування

У будь-якій системі керування можна виділити три складо­ві: програму керування, пристрій керування й об’єкт керуван­ня (рис. 2.1).

Рис. 2.1. Елементи системи керування

 

Програма керування — це сукупність команд (детальний набір покрокових команд), які має виконати технологічна ма­шина чи система машин для реалізації технологічної операції чи технологічного процесу відповідно.

Пристрій керування надає інформації керування, що зада­на програмою керування, форму, “зрозумілу” для технологіч­ної машини. Він “перекладає” цю інформацію “мовою” команд для механізмів, вузлів, агрегатів технологічної машини. Кана­ли вихідних сигналів, що видає блок керування, зв’язані з ви­конавчими елементами технологічної машини. Для того, щоб переконатися в правильності виконання машиною поданих ко­манд, у пристрій керування по каналах зворотних зв’язків посилаються відповідні сигнали (рис. 2.2). Таким чином, при­стрій керування обмінюється з ОК такими сигналами:

u — впливи системи ке­рування на виконавчу систе­му — команди виконавчим механізмам машини (ОК в технологічній машині є окре­мі функціональні вузли, які взаємодіють із виробом чи та­рою, механізми, які їх пере­міщують через робочу зону машини чи між машинами ав­томатизованої лінії тощо);

u' — впливи виконавчої системи на систему керування-передавання інформації про ви­конання команд.

Рис. 2.2. Керована технологічна машина

 

Об’єкт керування — це технологічний комплекс у вигляді технологічної машини чи сукупності машин. Загалом об’єктом керування називають виробничий, технологічний або технічний об’єкт, для визначеної взаємодії якого з іншими об’єктами або процесами потрібний спеціально організований керувальний вплив. Технологічним ОК може бути верстат для механічної обробки де­талей, автомат для їх складання, машина для переробки сирови­ни, розливу рідких напоїв, пакування поштучних виробів тощо.

САК забезпечує автоматичні збирання й опрацювання ін­формації, вироблення та реалізацію керувальних впливів на ОК відповідно до критерію якості керування. Тому до її складу входять вимірювальний орган, керувальний та виконавчий еле­менти (рис. 2.3).

 

Рис. 2.3. Структура системи автоматичного керування

 

Вимірювальний орган призначений для вимірювання зна­чень технологічних режимів (швидкість, температура тощо) та вихідних параметрів ОК, які характеризують його стан. У реа­льних системах автоматичного керування таким органом є дат­чик, що перетворює неелектричні величини (переміщення, шви­дкість, зусилля, тиск, температура тощо) в електричні.

Керувальні елементи формують керувальні впливи для вико­навчого елемента. До типових керувальних елементів належать перетворювальні та підсумовувальні ланки. Загальною рисою будь-яких технічних чи технологічних систем, у яких відбуваються процеси керування, є передавання повідомлень про процеси, що відбуваються в окремих частинах системи за допомогою сигналів. У технічних системах матеріальні носії інформації називаються носіями сигналів, які можна змінювати відповідно до переданої інформації. До носіїв сигналів можна віднести електричну напру­гу та струм, тиск, механічне переміщення тощо. Конструктивні елементи системи мають перетворювати одні фізичні величини і відповідні їм сигнали в інші. Цей процес відображається в кібер­нетичному понятті ланки системи.

Ланка — це керувальний елемент, що входить до складу САК, у якому певним чином перетворюється вхідний параметр у вихідний. Схематичне зображення ланки у вигляді блока не відображає особливостей її конструкції. Істотний тільки зв’язок між впливом на вхід ланки і її реакцією на виході. Такий підхід дає змогу створювати моделі елементів різноманітних технічних систем незалежно від їх конкретної технічної реалізації.

Виконавчі елементи безпосередньо реалізують керувальні впливи системи автоматичного керування на ОК. У технічних пристроях використовують найчастіше:

·        електродвигуни постійного і змінного струму,

·        гідравлічні приводи та механізми,

·        пневматичні приводи,

·        нагрівальні елементи.

 

Програма керування технологічною машиною

Під програмним керуванням розуміють процес організації такої цілеспрямованої зміни станів ОК, у результаті дії якого останній виконує задану послідовність робіт. При такому підхо­ді до опису роботи машини програма керування задає послідов­ність зміни станів технологічної системи, тобто послідовність зміни технологічних дій, що формують технологічний цикл. Сис­теми, які керують поетапною зміною послідовних станів техно­логічної машини, називають системами програмного керуван­ня. Вони найбільш поширені в автоматичних машинах, що випускають дискретну продукцію.

Схема керування може бути розімкнутою, коли попередній стан не контролюється і перехід до наступного стану здійсню­ється покроково. Частіше використовують схеми керування, коли кожен стан технологічної машини контролюється і тіль­ки після його перевірки технологічна машина переходить до наступного стану. Кожен стан технологічної машини відпові­дає виконанню певної частини робочого циклу. Слід додати, що сучасні пакувальні машини мають розподілений на окремі контрольовані етапи робочий цикл, тому в деяких автоматах кількість датчиків сягає 120-150 штук.

Програмне керування полягає в забезпеченні виконання тех­нологічною машиною запланованої послідовності технологіч­них дій. Програма керування повинна передбачати можливі виробничі ситуації, тому більшість систем програмного керу­вання мають контури зі зворотними зв’язками, які дають змо­гу подавати інформацію про закінчення кожного кроку програ­ми раніше, ніж буде виконано наступний крок.

Під програмою керування слід розуміти сукупність правил подання керувальних команд для виконавчих механізмів ма­шини, що забезпечують її функціонування при розв’язанні за­даного технологічного завдання.

Таким чином, рухи виконавчих механізмів у машинах ви­значаються програмою керування. Для автоматичного виконан­ня програми керування вона має містити всю необхідну інфор­мацію, яка забезпечує узгоджені рухи всіх виконавчих механі­змів.

 

Формалізація опису роботи технологічної машини

Для побудови алгоритму функціонування автоматичної тех­нологічної машини необхідно описати всі технологічні дії, що формують робочий цикл, зазначити їх послідовність, вибрати приводи для реалізації цих дій і створити систему зворотних зв’язків для контролю виконання елементів робочого циклу.

При цьому використовують спеціальні мови опису, оскіль­ки звичайна мова не забезпечує такої точності опису функціо­нування, яка необхідна для побудови системи керування. У 1990 р. Міжнародна електротехнічна комісія (International Electro-technical Comission, ІЕС), дочірня організація Міжна­родної організації стандартизації (International Standardisation Organisation, ISO), розробила стандарт ІЕС-61131, що підсумо­вує вимоги до апаратного забезпечення та систем розробки про­грам на основі програмованих контролерів. Цей стандарт пе­редбачає п’ять мов програмування:

Список інструкцій (Instruction List, IL) — низькорівнева мова, подібна до ассемблера.

Структурований текст (Structured Text, ST) — мова високого рівня, подібна до класичної мови програмування Pascal або С.

Мова функціональних блоків (Functional Data Block, FBD) — мова, яка дає змогу описувати сигнали і дані, що проходять через функціональні блоки, багаторазово викорис­товуючи програмні елементи — блоки.

Мова релейно-контактних схем (Ladder Diagram LD) — мова, яку найчастіше використовують для програмування.

Рис. 2.4. Програма мовою функціональних блоків

 

Мова блок-схем (Sequential Function Chart, SFC) — мова для графічного відображення послідовності поведінки системи керування.

Перші дві мови потребують високої кваліфікації розробни­ків. Однак більш наочними є графічні мови програмування про­грамованих контролерів (FBD, LD, SFC).

Мова функціональних блоків дає змогу розробляти про­грами за аналогією з розробкою функціональної схеми при­строю керування. Ця мова зручна для загального відображен­ня алгоритмів систем керування і взаємозв’язків між ними (рис. 2.4).

Мова релейно-контактних схем ґрунтується на релейно-кон­тактній логіці (рис. 2.5). Залежно від середовища розробки деякі редактори підтримують зв’язок з універсальними або ко­ристувацькими підпрограмами, тому що мову можна викорис­товувати в ієрархічному проектуванні.

Мову блок-схем використовують для визначення послі­довності дій системи керування, що залежать від певного часу і подій (так зване подійне програмування застосовується в системах об’єктно-орієнтованого програмування) (рис. 2.6).

 

Рис. 2.5. Програма мовою релейно-контактних схем

 

Рис. 2.6. Програма мовою блок-схем

 

Одним із поширених варіантів цієї мови є мова функціона­льного опису GRAFCET. Це функціональна графічна мова, що уточнює робочий цикл і умови функціонування машини за до­помогою функціональної діаграми, яка дає змогу графічно ві­добразити функції машини, що виконуються автоматично. Ос­новні положення GRAFCET нормалізовані такими документа­ми, як NF С 03-190 (Франція), D1N 40719 (Німеччина) та реко­мендацією ISO 848.

В основі створення мови лежать такі принципи:

·        технологічна машина поділяється на виконавчу систему і систему керування. Такий розподіл дає змогу пов’язати завдання технологічної машини із завданнями системи керування.

·        опис функціонування системи керування починається з опису функцій технологічної машини та закінчується опи­сом технічних засобів їх реалізації.

Функціонування машини-автомата розглядають як взаємо- узгоджену роботу двох її взаємодіючих частин, а саме: вико­навчої, або оперативної частини і системи керування. Кожна з цих частин реалізує відповідний процес (рис. 2.7).

Рис. 2.7. Зв’язок процесів, що відбуваються при функціонуванні технологічної машини-автомата

 

Рис. 2.8. Структура керованого автомата з ЧПК

 

Виконавча частина технологічного автомата реалізує фі­зичний процес, який необхідно автоматизувати.

Система керування створює на своєму виході команди ке­рування процесом і сигнали візуалізації залежно від результа­тів звітування про перебіг процесу і вказівок на її вході.

Наприклад, верстат із ЧПК складається з виконавчої час­тини — власне верстата і його основних механізмів з привода­ми та системи програмного керування (рис. 2.8).

Виконавча система верстата з ЧПК реалізує технологічні операції з перетворення заготовки в оброблену деталь за коман­дами, заданими системою керування. Завдяки звітуванню ви­конавчої системи (позиція інструмента, швидкість переміщен­ня, розмір після обробки тощо) система керування контролює виконання елементарних технологічних дій. Окрім обміну ко­мандами і звітами з виконавчою системою, система керування обмінюється інформацією зі зовнішніми системами (користу­вач, оператор тощо), отримуючи вказівки та звітуючи за допо­могою світлових або звукових засобів.

У верстата з ЧПК система керування, наприклад, отримує значення режимів різання, сигнали пуску чи зупинки обробки тощо, а також засвічує лампочки, вмикає сирени попереджень.

 

Рівні опису функціонування машини-автомата

За ступенем деталізації опису процесу функціонування ав­томата розрізняють два рівні опису:

·        перший рівень описує поведінку системи керування відносно поведінки виконавчих механізмів автомата на рівні задання еле­ментарних функцій, за якими розробник може зрозуміти, що має забезпечити процес керування при різних можливих ситуаціях;

·        другий рівень додає до функціональних вимог взаємодії ви­конавчих механізмів технологічні вимоги до умов роботи тех­нічних засобів, тобто детально описує процес керування.

Рис. 2.9. Функціональний опис процесу керування

 

Мовою функціонального опису GRAFCET можна детально описати послідовність етапів робочого циклу. Перебіг робочого циклу, етап за етапом, контролюється переходами між етапа­ми. Особливості перебігу технологічного процесу і процесу ке­рування можна задати графічно за допомогою:

·        технологічних етапів робочого циклу, які описують окремі дії механізмів автомата;

·        переходів, що описують логічні умови реалізації та закін­чення кожного етапу;

·        орієнтованих зв’язків між етапами та переходами, і на­впаки.

Таким чином, робочий цикл слід розглядати як послідов­ність окремих етапів, при переході між якими необхідно ви­конати певні логічні умови. Кожному етапові циклу відпові­дає одна або декілька елементарних технологічних дій або рухів. Кожному переходові відповідає “чутливість” — логічна умова того, щоб перехід був здійснений і розпочався наступ­ний етап.

Робочий цикл здійснюється поетапно (рис. 2.9). Почат­ковий етап 0 триває доти, доки не буде виконана умова х переходу до етапу 1. Дії, пов’язані з етапом 1, здійснюються до моменту, коли буде виконана умова Y переходу до етапу 2 і т.д.

Рис. 2.10. Принцип дії автоматичного преса

 

Приклад. Потрібно розробити алгоритм автоматичного ке­рування роботою преса для виготовлення деталей пресуванням порошків.

Виконавчу частину преса становлять такі механізми (рис. 2.10): рухомі пуансон А і матриця В, нерухомий пуансон — виштовхував С, механізм завантаження порошку та механізм видалення деталі.

Робочий цикл преса опишемо таким чином. На початку цик­лу матриця В перебуває у верхньому положенні з пуансоном С у її нижній частині, рухомий пуансон А — у крайньому верх­ньому положенні, забезпечуючи тим самим доступ до верхньої частини матриці для завантаження порошку. Коли порошок завантажено, пуансон А опускається і стискає матеріал, входя­чи в матрицю В, потім повертається у верхнє положення. Далі матриця рухається вниз аж до виходу з неї пуансона С, і пресо­вана деталь видаляється, наприклад, стисненим повітрям. Від­так матриця повертається в початкове положення і цикл може повторюватися.

Усі описані дії можливі, якщо система керування подає відповідні команди виконавчим механізмам прбса в необхідні моменти. Ці моменти визначаються програмою керування за допомогою інформації, що надходить до виконавчої системи.

Нижчий рівень опису процесу керування. У початковий мо­мент роботи преса, перед новим завантаженням порошку, мат­риця В і пуансон А нерухомі. Команду на опускання пуансона А система керування подасть тільки після отримання інформа­ції “порошок на місці" (рис. 2.11).

Однак система керування не реагуватиме на цю інформа­цію, якщо вона буде подана помилково, наприклад, під час піднімання пуансона А.

Як бачимо, система керування надає команду на виконан­ня нової дії лише після надходження відповідної інформації від механізмів преса, яку вона може сприйняти. Тому функціо­нування преса з його системою керування можна розглядати як послідовну зміну етапів і переходів. У цьому випадку кожен етап відповідає діям, які потрібно реалізувати, а кожен пере­хід — інформації, що необхідна для його здійснення, — логіч­ній умові, названій чутливістю.

Рис. 2.11. Функціональний граф процесу керування пресом