Компьютерное управление технологическим процессом, экспериментом, оборудованием

Москва
Горячая линия - Телеком
2013

 

 

ББК 32.965 
УДК 681.5:004.9 
      Д33 
 
Р е ц е н з е н т ы :  доктор техн. наук, профессор  В. В. Топорков;  
доктор техн. наук, профессор В. И. Финаев 
 
Денисенко В. В. 
Д33         Компьютерное управление технологическим процессом, 
экспериментом, оборудованием. – М.: Горячая линия–Телеком, 
2013. – 584 с., ил. 

ISBN 978-5-9912-0060-8. 

Книга содержит систематическое изложение основных вопросов современной теории и практики промышленной и лабораторной 
автоматизации. Представлены только самые необходимые для 
практики сведения с акцентом на детальный анализ наиболее 
сложных и часто неправильно понимаемых вопросов. Рассмотрены 
широко распространенные в России промышленные интерфейсы и 
сети, архитектура систем автоматизации и методы их защиты от 
помех, тонкие нюансы техники автоматизированных измерений, 
ПИД-регуляторы с автоматической настройкой и адаптацией, 
структура и характеристики управляющих контроллеров, современные методы резервирования, средства программирования контроллеров, SCADA-пакеты и ОРС серверы, юридические вопросы 
внедрения средств автоматизации, в том числе на опасных промышленных объектах. 
Для специалистов по промышленной автоматизации, а также 
инженеров и научных работников, которые хотят автоматизировать свою работу с помощью компьютера. Может быть полезна 
студентам старших курсов технических университетов. 
ББК 32.965 

Адрес издательства в Интернет WWW.TECHBOOK.RU 
 
Научное издание 
 

Денисенко Виктор Васильевич 
Компьютерное управление технологическим процессом,  
экспериментом, оборудованием 

Компьютерная верстка  Ю. Н. Чернышов 
Редактор  Ю. Н. Чернышов 
Обложка художника  В. Г. Ситникова 
 
Подписано в печать 08.11.11. Формат 70×100/16. Усл. печ. л. 36.5
Доп. тираж «по требованию».  Изд. № 11060 

ООО «Научно-техническое издательство «Горячая линия –Телеком» 

ISBN 978-5-9912-0060-8                                        ©  В. В. Денисенко, 2009, 2011 
                                      © Издательство «Горячая линия–Телеком», 2009, 2011 

Оглавление

Предисловие . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
11
Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
13

Глава 1. Архитектура автоматизированной системы. . . . . . . . . . . . . . . .
16

1.1. Разновидности архитектур . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
16
1.1.1. Требования к архитектуре . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
18
1.1.2. Простейшая система . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
21
1.1.3. Распределенные системы автоматизации . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
23
1.1.4. Многоуровневая архитектура . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
29
1.2. Применение Интернет-технологий. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
33
1.2.1. Проблемы и их решение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
34
1.2.2. Основные понятия технологии Интернета . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
35
1.2.3. Принципы управления через Интернет. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
36
1.2.4. Микро-веб-серверы. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
38
1.2.5. Примеры применения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
39
1.3. Понятие открытой системы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
39
1.3.1. Свойства открытых систем . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
42
1.3.2. Средства достижения открытости . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
45
1.3.3. Достоинства и недостатки . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
46
1.4. Заключение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
49
1.5. Обзор публикаций . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
49

Глава 2. Промышленные сети и интерфейсы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
51

2.1. Общие сведения о промышленных сетях . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
52
2.2. Модель OSI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
55
2.2.1. Физический уровень . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
56
2.2.2. Канальный уровень . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
57
2.2.3. Сетевой уровень. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
57
2.2.4. Транспортный уровень. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
57
2.2.5. Сеансовый уровень. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
57
2.2.6. Уровень представления . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
58
2.2.7. Прикладной уровень . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
58
2.2.8. Критика модели OSI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
58
2.3. Интерфейсы RS-485, RS-422 и RS-232 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
58
2.3.1. Принципы построения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
59

Оглавление

2.3.2. Стандартные параметры . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
61
2.3.3. Согласование линии с передатчиком и приемником. . . . . . . . . .
62
2.3.4. Топология сети на основе интерфейса RS-485 . . . . . . . . . . . . . . . .
64
2.3.5. Устранение состояния неопределенности линии . . . . . . . . . . . . . .
65
2.3.6. Сквозные токи . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
66
2.3.7. Выбор кабеля . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
66
2.3.8. Расширение предельных возможностей. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
68
2.3.9. Интерфейсы RS-232 и RS-422 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
69
2.4. Интерфейс «токовая петля». . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
70
2.5. HART-протокол. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
74
2.6. CAN. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
82
2.6.1. Физический уровень . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
84
2.6.2. Канальный уровень . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
89
2.6.3. Прикладной уровень: CANopen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
93
2.6.4. Электронные спецификации устройств CANopen . . . . . . . . . . . .
95
2.7. Profibus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
96
2.7.1. Физический уровень . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
97
2.7.2. Канальный уровень Profibus DP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
98
2.7.3. Резервирование. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
2.7.4. Описание устройств . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
2.8. Modbus. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
2.8.1. Физический уровень . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106
2.8.2. Канальный уровень . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
2.8.3. Прикладной уровень . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
2.9. Промышленный Ethernet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111
2.9.1. Особенности Ethernet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113
2.9.2. Физический уровень . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114
2.9.3. Канальный уровень . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120
2.9.4. Modbus TCP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120
2.9.5. Profinet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122
2.10. Протокол DCON. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122
2.11. Беспроводные локальные сети. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124
2.11.1. Проблемы беспроводных сетей и пути их решения. . . . . . . . . . . 126
2.11.2. Bluetooth . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136
2.11.3. ZigBee и IEEE 802.15.4 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137
2.11.4. Wi-Fi и IEEE 802.11. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147
2.11.5. Сравнение беспроводных сетей . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151
2.12. Сетевое оборудование. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151
2.12.1. Повторители интерфейса . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152
2.12.2. Концентраторы (хабы) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153
2.12.3. Преобразователи интерфейса . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154

Оглавление
5

2.12.4. Адресуемые преобразователи интерфейса . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 156
2.12.5. Межсетевые шлюзы. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157
2.12.6. Другое сетевое оборудование. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158
2.12.7. Кабели для промышленных сетей . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159
2.13. Заключение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163

Глава 3. Защита от помех . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 164

3.1. Источники помех . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165
3.1.1. Характеристики помех . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165
3.1.2. Помехи из сети электроснабжения. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 168
3.1.3. Молния и атмосферное электричество . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171
3.1.4. Статическое электричество . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 174
3.1.5. Помехи через кондуктивные связи. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 176
3.1.6. Электромагнитные помехи. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 176
3.1.7. Другие типы помех . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 178
3.2. Заземление. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 178
3.2.1. Определения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 179
3.2.2. Цели заземления . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 180
3.2.3. Защитное заземление зданий . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 181
3.2.4. Автономное заземление . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 182
3.2.5. Заземляющие проводники . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 183
3.2.6. Модель «земли». . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 183
3.2.7. Виды заземлений. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 185
3.3. Проводные каналы передачи сигналов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 187
3.3.1. Источники сигнала. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 187
3.3.2. Приемники сигнала . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 189
3.3.3. Прием сигнала заземленного источника . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 192
3.3.4. Прием сигнала незаземленных источников . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 193
3.3.5. Дифференциальные каналы передачи сигнала . . . . . . . . . . . . . . . 194
3.4. Паразитные связи . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 196
3.4.1. Модели компонентов систем автоматизации. . . . . . . . . . . . . . . . . . 196
3.4.2. Паразитные кондуктивные связи . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 197
3.4.3. Индуктивные и емкостные связи . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 199
3.5. Методы экранирования и заземления . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 201
3.5.1. Гальванически связанные цепи . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 201
3.5.2. Экранирование сигнальных кабелей. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 203
3.5.3. Гальванически развязанные цепи . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 208
3.5.4. Экраны кабелей на электрических подстанциях . . . . . . . . . . . . . 208
3.5.5. Экраны кабелей для защиты от молнии. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 209
3.5.6. Заземление при дифференциальных измерениях . . . . . . . . . . . . 209
3.5.7. Интеллектуальные датчики. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 209
3.5.8. Монтажные шкафы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 210

Оглавление

3.5.9. Распределенные системы управления . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 212
3.5.10. Чувствительные измерительные цепи . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 213
3.5.11. Исполнительное оборудование и приводы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 213
3.5.12. Заземление на взрывоопасных объектах. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 214
3.6. Гальваническая развязка . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 215
3.7. Защита промышленных сетей от молнии . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 216
3.7.1. Пути прохождения импульса молнии. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 217
3.7.2. Средства защиты. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 219
3.8. Стандарты и методы испытаний по ЭМС . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 221
3.9. Верификация заземления и экранирования . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 222
3.10. Заключение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 223

Глава 4. Измерительные каналы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 226

4.1. Основные понятия . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 226
4.1.1. Определения основных терминов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 226
4.1.2. Точность, разрешающая способность и порог чувствительности . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 231
4.1.3. Функция автокорреляции. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 233
4.1.4. Коэффициент корреляции . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 237
4.1.5. Точечные и интервальные оценки погрешности . . . . . . . . . . . . . . 240
4.1.6. Погрешность метода измерений . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 242
4.1.7. Погрешность программного обеспечения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 243
4.1.8. Достоверность измерений . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 243
4.2. Многократные измерения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 245
4.2.1. Повышение точности путем усреднения результатов
измерений . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 245
4.2.2. Точность и продолжительность измерений . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 249
4.3. Динамические измерения. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 255
4.3.1. Теорема Котельникова . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 255
4.3.2. Фильтр и динамическая погрешность . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 256
4.3.3. Алиасные частоты, антиалиасные фильтры . . . . . . . . . . . . . . . . . . 266
4.4. Суммирование погрешностей измерений . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 271
4.4.1. Исходные данные для расчета . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 272
4.4.2. Методы суммирования погрешностей. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 273
4.4.3. Систематические погрешности. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 274
4.4.4. Случайные погрешности . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 276
4.4.5. Дополнительные погрешности . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 277
4.4.6. Динамические погрешности. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 277
4.4.7. Нахождение итоговой погрешности. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 277
4.5. Заключение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 279
4.6. Обзор литературы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 279

Оглавление
7

Глава 5. ПИД-регуляторы. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 281

5.1. Идентификация моделей динамических систем . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 282
5.1.1. Модели объектов управления. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 283
5.1.2. Выбор тестовых сигналов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 294
5.1.3. Частотная идентификация в режиме релейного регулирования. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 298
5.1.4. Идентификация в замкнутом и разомкнутом контурах . . . . . . 306
5.1.5. Аналитическая идентификация. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 309
5.1.6. Методы минимизации критериальной функции . . . . . . . . . . . . . . 312
5.2. Классический ПИД-регулятор. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 314
5.2.1. П-регулятор . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 316
5.2.2. И-регулятор . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 318
5.2.3. ПИ-регулятор . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 319
5.2.4. ПД-регулятор . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 320
5.2.5. ПИД-регулятор . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 321
5.3. Модификации ПИД-регуляторов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 321
5.3.1. Регулятор с весовыми коэффициентами при уставке. . . . . . . . . 322
5.3.2. Регулятор с формирующим фильтром для сигнала уставки . 323
5.3.3. Принцип разомкнутого управления . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 324
5.3.4. Регулятор отношений . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 330
5.3.5. Регулятор с внутренней моделью. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 331
5.3.6. Эквивалентные преобразования структур ПИД-регуляторов 334
5.3.7. ПИД-регуляторы для систем с транспортной задержкой . . . . 335
5.4. Особенности реальных регуляторов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 338
5.4.1. Погрешность дифференцирования и шум . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 339
5.4.2. Интегральное насыщение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 340
5.4.3. Запас устойчивости и робастность . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 344
5.4.4. Сокращение нулей и полюсов. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 352
5.4.5. Безударное переключение режимов регулирования . . . . . . . . . . 352
5.4.6. Дискретная форма регулятора . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 353
5.5. Расчет параметров. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 357
5.5.1. Качество регулирования . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 357
5.5.2. Выбор параметров регулятора . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 360
5.5.3. Ручная настройка, основанная на правилах . . . . . . . . . . . . . . . . . . 363
5.5.4. Методы оптимизации . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 364
5.6. Автоматическая настройка и адаптация . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 364
5.6.1. Основные принципы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 365
5.6.2. Табличное управление . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 366
5.6.3. Обзор коммерческих продуктов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 367
5.6.4. Программные средства настройки . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 371
5.7. Нечеткая логика, нейронные сети и генетические алгоритмы . . . . . 372

Оглавление

5.7.1. Нечеткая логика в ПИД-регуляторах. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 373
5.7.2. Искусственные нейронные сети . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 378
5.7.3. Генетические алгоритмы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 380
5.8. Заключение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 381
5.9. Обзор публикаций . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 383

Глава 6. Контроллеры для систем автоматизации . . . . . . . . . . . . . . . . . . 387

6.1. Программируемые логические контроллеры . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 389
6.1.1. Типы ПЛК . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 389
6.1.2. Архитектура . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 391
6.1.3. Характеристики. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 395
6.1.4. Пример ПЛК. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 399
6.1.5. Устройства сбора данных . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 401
6.2. Компьютер в системах автоматизации . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 404
6.2.1. Компьютер в качестве контроллера . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 404
6.2.2. Компьютер для общения с оператором . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 406
6.2.3. Промышленные компьютеры . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 407
6.3. Устройства ввода-вывода . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 409
6.3.1. Ввод аналоговых сигналов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 411
6.3.2. Модули ввода тока и напряжения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 414
6.3.3. Термопары . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 416
6.3.4. Термопреобразователи сопротивления. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 421
6.3.5. Тензорезисторы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 428
6.3.6. Вывод аналоговых сигналов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 435
6.3.7. Ввод дискретных сигналов. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 438
6.3.8. Вывод дискретных сигналов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 441
6.3.9. Ввод частоты, периода и счет импульсов. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 443
6.3.10. Модули управления движением . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 445
6.4. Заключение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 448

Глава 7. Автоматизация опасных объектов. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 449

7.1. Искробезопасная электрическая цепь . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 450
7.2. Блоки искрозащиты . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 453
7.4. Правила применения искробезопасных устройств . . . . . . . . . . . . . . . . . 455
7.4. Функциональная безопасность . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 456
7.5. Выбор аппаратных средств . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 459
7.5.1. Виды опасных промышленных объектов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 459
7.5.2. Классификация взрывоопасных зон . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 461
7.5.3. Классификация взрывоопасности технологических блоков . . 463
7.5.4. Взрывопожарная и пожарная опасность. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 464
7.5.5. Требования к техническим устройствам. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 465
7.5.6. Маркировка взрывозащищенного оборудования. . . . . . . . . . . . . . 466

Оглавление
9

7.5.7. Монтаж взрывоопасного технологического оборудования . . . . 469
7.6. Заключение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 470

Глава 8. Аппаратное резервирование. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 471

8.1. Основные понятия и определения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 471
8.2. Резервирование ПЛК и устройств ввода-вывода . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 476
8.2.1. Общие принципы резервирования . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 477
8.2.2. Модули ввода и датчики . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 481
8.2.3. Модули вывода. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 485
8.2.4. Процессорные модули. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 489
8.2.5. Резервирование источников питания . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 494
8.3. Резервирование промышленных сетей . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 494
8.3.1. Сети Profibus, Modbus, CAN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 495
8.3.2. Сети Ethernet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 496
8.3.3. Резервирование беспроводных сетей . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 501
8.4. Оценка надежности резервированных систем . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 502
8.5. Заключение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 508

Глава 9. Программное обеспечение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 509

9.1. Развитие программных средств автоматизации . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 509
9.1.1. Графическое программирование . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 511
9.1.2. Графический интерфейс . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 512
9.1.3. Открытость программного обеспечения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 512
9.1.4. Связь с физическими устройствами . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 513
9.1.5. Базы данных . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 513
9.1.6. Операционные системы реального времени . . . . . . . . . . . . . . . . . . 514
9.2. ОРС-сервер . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 517
9.2.1. Обзор стандарта ОРС. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 517
9.2.2. ОРС DA-сервер . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 519
9.2.3. OPC HDA-сервер. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 523
9.2.4. Спецификация OPC UA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 523
9.2.5. ОРС DA-сервер в среде MS Excel. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 528
9.2.6. Применение ОРС-сервера с MATLAB и LabVIEW . . . . . . . . . . . 532
9.3. Системы программирования на языках МЭК 61131-3 . . . . . . . . . . . . . 532
9.3.1. Язык релейно-контактных схем LD. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 534
9.3.2. Список инструкций IL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 535
9.3.3. Структурированный текст ST . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 536
9.3.4. Диаграммы функциональных блоков FBD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 536
9.3.5. Функциональные блоки стандартов МЭК 61499 и МЭК 61804 537
9.3.6. Последовательные функциональные схемы SFC . . . . . . . . . . . . . 539
9.3.7. Программное обеспечение. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 539
9.4. Пользовательский интерфейс, SCADA-пакеты. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 542

Оглавление

9.4.1. Функции SCADA. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 542
9.4.2. Свойства SCADA. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 546
9.4.3. Программное обеспечение. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 548
9.5. Заключение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 549
Литература . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 550