bigpo.ru
добавить свой файл
1


Пермский национальный исследовательский политехнический университет

Кафедра «Автоматика и телемеханика»


МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

по дисциплине

«Технические средства автоматизации и управления»


для студентов специальности 220201

«Управление и информатика в технических системах»

.


Пермь 2012

Введение


Студены специальности 220201 «Управление и информатика в технических системах» изучают дисциплину «Технические средства автоматизации и управления» в 6-м семестре обучения.

Распределение объемов занятий и видов учебной работы представлено в табл. 1.

Таблица 1

Семестр

Лекции

Лаб. занятия

Самост.

работа

Контроль

6

42 часа

34 часа

74 часа

Экзамен


Далее приводится структура теоретического содержания изучаемой дисциплины с указанием необходимой учебной литературы по каждому элементу структуры теоретического содержания.

Теоретическое содержание дисциплины

1Типовые структуры и средства систем автоматизации и управления (САиУ) техническими объектами и технологическими процессами

1.1Основные понятия и определения


Технологический объект управления. Автоматизированный технологический комплекс. Автоматизированная система управления технологическим процессом (АСУТП). Критерий управления АСУТП. Функции АСУТП.

Литература: [1, c. 5-11].

1.2Классы и типовые структуры САиУ, назначение и состав технических средств САиУ


Технические средства автоматизации. Программно-технические средства автоматизации. Общесистемные средства автоматизации. Классы и типовые структуры САиУ: неавтоматизированная система управления; система автоматического управления; система централизованного контроля и регулирования; централизованная АСУТП; супервизорная АСУТП, распределенная АСУТП.

Литература: [5, с. 6-9].

1.3Архитектуры САиУ


Понятие архитектуры автоматизированной системы. Централизованная архитектура. Распределенная архитектура. Архитектура клиент-сервер.

Примечание: архитектура – это не только набор структурных элементов системы и связей между ними (не просто структура системы), но также еще и модель взаимодействия этих элементов.

Литература: [4, п. 3.2], [1, c. 109-115].

1.4Комплексная автоматизация предприятия


Пирамида комплексной автоматизации предприятия. ERP-системы. MES-системы. Системы, построенные на основе принципов SCADA. Основные структурные компоненты системы, построенной на основе принципов SCADA.

Примечание. В литературе [9] термин «SCADA-система» в одних местах понимается как система автоматизации и управления, построенная на основе принципов SCADA, а в других местах – как программный SCADA-пакет. Поэтому, исходя из контекста, надо понимать различие трактовок термина «SCADA-система».

Литература: [1, c. 116-117], [9, c. 10-14].

1.5Классификация САиУ


Классификации: по уровню, занимаемому в организационно-производственной иерархии; по характеру протекания управляемого технологического процесса во времени; по условной информационной мощности; по уровню функциональной надежности; по типу функционирования.

Литература: [1, c. 14-18].

1.6Типовое обеспечение САиУ


Виды обеспечений: техническое, программное, математическое, информационное, лингвистическое, организационное, методическое, правовое, эргономическое.

Литература: [2, п. 2.3-2.11], [1, c. 12-13].

1.7Этапы проектирования САиУ


Постановка задачи. Эскизная проработка. Техническое проектирование. Рабочее проектирование. Внедрение.

Литература: [3, c. 110-112].

2Технические средства получения информации о состоянии объекта управления, датчики, измерительные преобразователи

2.1Общие определения и классификация


Средство измерений. Измерительный прибор. Измерительный преобразователь. Первичный измерительный преобразователь. Промежуточный измерительный преобразователь. Датчик. Классификация измерительных приборов. Классификация измерительных преобразователей.

Литература: [6, с. 68, 74, 81- 89].

2.2Характеристики датчиков


Система: датчик и измеряемая среда. Диапазон измерений. Статическая характеристика. Линейность и нелинейность статической характеристики. Чувствительность. Абсолютная погрешность. Относительная погрешность. Приведенная погрешность. Основная погрешность. Дополнительная погрешность. Разрешающая способность. Время установления показаний. Быстродействие.

Литература: [7, с. 128-131].

2.3Чувствительные элементы датчиков


Чувствительные элементы: механические, потенциометрические, тензочувствительные, индуктивные, индукционные, емкостные, фотоэлектрические, температурные.

Литература: [7, с. 131-151].

2.4Интеллектуальные сенсоры


Понятие сенсора. Простой сенсор. Простой сенсор с обработкой информации. Пассивные и активные сенсоры. Сенсорно-компьютерные системы. Интеллектуальный сенсор. Классификация интеллектуальных сенсоров.

Литература: [8, с. 15-31].

3Технические средства использования командной информации и воздействия на объект управления, исполнительные устройства, регулирующие органы

3.1Основные определения и классификация.


Исполнительное устройство. Регулирующие (рабочие) органы. Классификация исполнительных устройств. Электромагнитные исполнительные устройства. Соленоидные электроприводы. Электромагнитные реле. Электродвигательные исполнительные устройства. Электромеханические устройства. Электромагнитные устройства. Электромашинные устройства. Электрическая машина. Классификация электрических машин.

Литература: [7, с. 174-177], [10, c. 3-8].

3.2Исполнительные механизмы на основе асинхронных двигателей


Устройство и принцип действия асинхронного двигателя. Скольжение. Энергетическая диаграмма асинхронного двигателя. Механические характеристики асинхронных двигателей. Пуск, регулирование частоты вращения и торможение асинхронных двигателей.

Литература: [11, c. 16-35].

3.3Исполнительные механизмы на основе двигателей постоянного тока


Устройство и принцип действия двигателя постоянного тока. Потери мощности в случае двигателя постоянного тока. Пуск, регулирование частоты вращения и торможение двигателей постоянного тока. Характеристики двигателей постоянного тока. Общие сведения об исполнительных двигателях постоянного тока. Импульсное управление исполнительными двигателями постоянного тока.

Литература: [11, c. 69-77, 108-115, 117-118, 122-123].

3.4Исполнительные механизмы на основе шаговых двигателей


Устройство и классификация шаговых двигателей. Способы управления шаговыми двигателями. Зависимость момента от скорости, влияние нагрузки. Способы питания шагового двигателя.

Литература: [12, c. 3-28, 32-35].

4Технические средства обработки, хранения информации и выработки командных воздействий.

4.1Цифровые средства обработки информации в САиУ


Тенденции развития вычислительных средств САиУ. ЭВМ общего назначения. Специализированные ЭВМ и вычислительные комплексы. Управляющие ЭВМ, управляющие вычислительные комплексы (УВК), промышленные (индустриальные) персональные компьютеры (ПК), рабочие станции, микро-ЭВМ и микроконтроллеры.

Литература: [15, c. 5-14].

4.2Контроллеры


Терминология, связанная с программируемыми контроллерами. Промышленный компьютер. Универсальный программируемый контроллер (программируемый компьютерный контроллер). Программируемый логический контроллер (ПЛК). Контроллер сбора данных. Структура ПЛК. ПЛК в системе управления. Операционная система ПЛК. Классификация ПЛК. Мощный ПЛК. ПЛК малого формата. Однокристальные микроконтроллеры.

Примечание. Универсальный программируемый контроллер также называется программируемым компьютерным контроллером.

Литература: [1, c. 119-134], [17, с. 5-9].

5Технические средства приема, преобразования и передачи измерительной и командной информации по каналам связи. Аппаратно-программные средства распределенных САиУ

5.1Устройства связи с объектом управления и устройства ввода-вывода сигналов


Устройства связи с объектом (УСО). Устройства ввода-вывода сигналов (УВВС). Централизованные УСО и УВВС. Распределенные УВВС. Основные характеристики и выбор УВВС.

Литература: [13, c. 4-8].

5.2Способы подключения УВВС к компьютерам


Компьютерные шины. Подключение централизованных УВВС. Подключение распределенных УВВС. Пример платы централизованного ввода-вывода сигналов.

Литература: [13, c. 9-16].

5.3Подсистемы сбора и первичной обработки информации


Принципы компоновки подсистемы сбора и первичной обработки информации.

Литература: [3, c. 118-119].

5.4Устройства распределенного сбора и управления на примере модулей серии ADAM


Подключение модулей ADAM к компьютеру. Структурная схема модуля ADAM-4011.

Литература: [3, c. 119-122].

5.5Выбор модулей подсистемы сбора и первичной обработки аналоговых сигналов


Оценка погрешности. Выбор нормализаторов, усилителей, фильтров, АЦП.

Литература: [3, c. 122-130].

5.6Алгоритмы первичной обработки информации в подсистеме сбора и первичной обработки информации


Проверка на достоверность. Сглаживание. Скользящее среднее. Экспоненциальное сглаживание. Пересчет в технические единицы. Проверка на технологические границы.

Литература: [3, c. 130-139].

5.7Ввод и первичная обработка дискретных сигналов


Виды дискретных сигналов. Фильтрация помех. Обработка прерываний.

Литература: [3, c. 144-145].

5.8Системы передачи данных, интерфейсы САиУ


Понятие интерфейса. Уровни аппаратных интерфейсов. Понятие протокола. Способы передачи данных между устройствами вычислительной системы. Синхронный обмен данными. Асинхронный обмен данными с программной проверкой готовности. Асинхронный обмен данными с аппаратной проверкой готовности. Система прерываний. Классификация прерываний.

Литература: [14, c. 21-22, 50-56].

5.9Локальные управляющие вычислительные сети (ЛУВС).


Эталонная модель архитектуры открытых систем. Физический, канальный, сетевой, транспортный, сеансовый, представительский, прикладной уровни. Традиционные каналы связи. Промышленные сети Fieldbus. Топологии локальных сетей.

Литература: [15, c. 14-28].

5.10Контроллерные сети


Интерфейс RS-485. Интерфейс 1-Wire. Интерфейс I2C. Интерфейс USB.

Литература: [14, c. 175-176, 180-184, 193-198].

5.11Сети передачи данных


Сети передачи данных. Беспроводные сенсорные сети.

Литература: [14, c. 198-202].

5.12Технические средства и методы управления доступом к моноканалам ЛУВС


Понятие моноканала. Проблема множественного доступа. Типы моноканалов. Технические средства и методы управления доступом к моноканалам.

Литература: [15, c. 28-32].

5.13Промышленные сети


Основные понятия и характеристики промышленных сетей. Примеры промышленных сетей: AS-interface, InstaBus EIB, Foundation Fieldbus, HART, InterBus, LonWorks, Profibus PA, WorldFIP. Передача данных по силовыми линиям.

Литература: [16, c. 23-53].

6Устройства взаимодействия с оперативным персоналом САиУ

6.1Основные понятия. Устройства связи с оператором


Регистрирующие и показывающие приборы. Самопишущие и печатающие приборы. Человеко-машинный интерфейс. Органы управления, используемые оператором. Типовые средства отображения информации. Пользовательский интерфейс. Погружающий или иммерсивный интерфейс.

Литература: [6, с. 84], [18, c. 7-10].

6.2Принципы построения, классификация и технические характеристики органов управления, используемых оператором


Классификация органов управления (экранные, физические, графические манипуляторы). Принципы выбора и построения органов управления. Технические характеристики органов управления, которые необходимо обеспечивать, исходя из эргономических требований.

Литература: [18, c. 11-24].

6.3Видеотерминальные средства, операторские панели и станции


Примеры использования и реализации видеотерминальных средств, операторских панелей и станций.

Примечание. Видеотерминальные средства – это комплекс устройств взаимодействия с оперативным персоналом САиУ, включающий в себя: устройства ввода информации (клавиатура, мышь и т.п.); устройства отображения видеоинформации (дисплеи, проекторы и т.п.); средства обмена данными с остальными частями САиУ.

Литература: [16, c. 102, 177-178, 195-196, 201-205, 217-221]

6.4Пользовательский интерфейс


Основные функции и требования. Структура пользовательского интерфейса. Стили пользовательского интерфейса: графический, web-интерфейс, объектно-ориентированный.

Литература: [18, c. 25-33].

7Программное обеспечение САиУ

7.1Разработка программного обеспечения для программируемых логических контроллеров на основе стандарта IEC 61131-3


Литература: [19], [20].

7.2Обзор различных SCADA-пакетов


Литература: [9, c. 15-26].

7.3Сравнительный анализ SCADA-пакетов


Литература: [9, c. 26-41].

7.4Основные компоненты SCADA-пакета на примере TRACE MODE


Литература: [21, c. 4-17].

7.5Обмен данными с помощью SCADA-пакета на примере TRACE MODE


Литература: [21, c. 17-30].

7.6Разработка пользовательского интерфейса с помощью SCADA-пакета на примере TRACE MODE


Литература: [21, c. 45-50].

7.7Архивирование и документирование с помощью SCADA-пакета на примере TRACE MODE


Литература: [21, c. 50-65].

8Программно-технические комплексы (ПТК)

8.1Классификация микропроцессорных ПТК


Литература: [16, c. 4-10].

8.2Функциональный состав ПТК


Литература: [16, c. 17-20].

8.3Средства интеграции в составе ПТК


Литература: [16, c. 20-22].

8.4Примеры ПТК


Литература: [16, c. 10-16].

Библиографический список


  1. Втюрин В.А. Автоматизированные системы управления технологическими процессами. Основы АСУТП [Электронный ресурс]: Учебное пособие // Единое окно доступа к образовательным ресурсам. 2006. URL: http://window.edu.ru/window_catalog/redir?id=66030&file=asu2.pdf (дата обращения: 17.03.2011).

  2. ГОСТ 34.003-90. Информационная технология. Комплекс стандартов на автоматизированные системы. Автоматизированные системы. Термины и определения.

  3. Пьявченко Т.А., Финаев В.И. Автоматизированные информационно-управляющие системы [Электронный ресурс] // Единое окно доступа к образовательным ресурсам. 2007. URL: http://window.edu.ru/window_catalog/redir?id=61206&file=pos_ASU_TP_2.pdf (дата обращения: 17.03.2011).

  4. ГОСТ Р ИСО 15704-2008. Промышленные автоматизированные системы. Требования к стандартным архитектурам и методологиям предприятия.

  5. Мордасов М.М., Мордасов Д.М., Трофимов А.В., Чуриков А.А. Технические средства автоматизации [Электронный ресурс]: Учебное пособие // Единое окно доступа к образовательным ресурсам. 2005. URL: http://window.edu.ru/window_catalog/redir?id=38106&file=tstu2005-155.pdf (дата обращения: 17.03.2011).

  6. Новиков Г.А. Основы метрологии [Электронный ресурс]: Учебное пособие // Единое окно доступа к образовательным ресурсам. 2010. URL: http://window.edu.ru/window_catalog/redir?id=71794&file=ulstu2010-60.pdf (дата обращения: 17.03.2011).

  7. Гордеев А.С. Основы автоматики [Электронный ресурс]: Учебное пособие для вузов // Единое окно доступа к образовательным ресурсам. 2006. URL: http://window.edu.ru/window_catalog/redir?id=64503&file=0284.pdf (дата обращения: 17.03.2011).

  8. Войтович И.Д., Корсунский В.М. Интеллектуальные сенсоры [Электронный ресурс]: Учебное пособие. Глава 1 // Единое окно доступа к образовательным ресурсам. 2009. URL: http://window.edu.ru/window_catalog/redir?id=65340&file=Voytovich_978-5-9963-0124-9/Glava1_cC0124-9.pdf (дата обращения: 17.03.2011).

  9. Пономарев О.П. Наладка и эксплуатация средств автоматизации. SCADA-системы. Промышленные шины и интерфейсы. Общие сведения о программируемых логических контроллерах и одноплатных компьютерах [Электронный ресурс]: Учебное пособие // Единое окно доступа к образовательным ресурсам. 2006. URL: http://window.edu.ru/window_catalog/redir?id=37097&file=kvshu04.pdf (дата обращения: 17.03.2011).

  10. Арменский Е.В. Фалк Г.Б Электромеханические устройства автоматики [Электронный ресурс]. Учебное пособие // Единое окно доступа к образовательным ресурсам. 2002. URL: http://window.edu.ru/window_catalog/redir?id=24734&file=1.pdf (дата обращения 17.03.2011).

  11. Брандина Е.П. Электрические машины [Электронный ресурс]: Письменные лекции. Примеры решения задач // Единое окно доступа к образовательным ресурсам. 2004. URL: http://window.edu.ru/window_catalog/redir?id=40524&file=1700.pdf (дата обращения 17.03.2011).

  12. Емельянов А.В., Шилин А.Н. Шаговые двигатели [Электронный ресурс]: Учебное пособие // Единое окно доступа к образовательным ресурсам. 2005. URL: http://window.edu.ru/window_catalog/redir?id=61155&file=Step_motors.pdf (дата обращения 17.03.2011).

  13. Засов В.А., Савченков Н.Н. Устройства ввода-вывода аналоговых и дискретных сигналов для компьютерных систем [Электронный ресурс]: Учебное пособие // Единое окно доступа к образовательным ресурсам. 2002. URL: http://window.edu.ru/window_catalog/redir?id=29213&file=samiit230.pdf (дата обращения 17.03.2011).

  14. Ключев А.О., Ковязина Д.Р., Петров Е.В., Платунов А.Е. Интерфейсы периферийных устройств [Электронный ресурс]: Учебное пособие // Единое окно доступа к образовательным ресурсам. 2010. URL: http://window.edu.ru/window_catalog/redir?id=72751&file=itmo500.pdf (дата обращения 17.03.2011).

  15. Туманов М.П. Технические средства автоматизации и управления: цифровые средства обработки информации и программное обеспечение [Электронный ресурс]: Учебное пособие // Единое окно доступа к образовательным ресурсам. 2005. URL: http://window.edu.ru/window_catalog/redir?id=24739&file=6.pdf (дата обращения 17.03.2011).

  16. Втюрин В.А. Автоматизированные системы управления технологическими процессами. Программно-технические комплексы [Электронный ресурс]: Учебное пособие // Единое окно доступа к образовательным ресурсам. 2006. URL: http://window.edu.ru/window_catalog/redir?id=66031&file=asu3.pdf (дата обращения 17.03.2011).

  17. Евланов Ю.Н., Новиков В.А., Шатохин А.А. Однокристальный микроконтроллер 80C552 [Электронный ресурс]: Учебное пособие // Единое окно доступа к образовательным ресурсам. 2001. URL: http://window.edu.ru/window_catalog/redir?id=69585&file=publab2.pdf (дата обращения 17.03.2011).

  18. Сергеев С.Ф., Падерно П.И., Назаренко Н.А. Введение в проектирование интеллектуальных интерфейсов [Электронный ресурс]: Учебное пособие // Единое окно доступа к образовательным ресурсам. 2001. URL: http://window.edu.ru/window_catalog/redir?id=72820&file=itmo519.pdf (дата обращения 17.03.2011).

  19. Лиференко В. Программирование ПЛК и стандарты IEC 61131-3 [Электронный ресурс] // Компоненты и технологии. 2006 URL:
    http://www.kit-e.ru/assets/files/pdf/2006_04_82.pdf (дата обращения 17.03.2011).

  20. Карпенко Е. IEC 61131-3: языки и средства программирования [Электронный ресурс] // Компьютерное обозрение. 2007. URL:
    http://ko.com.ua/iec_61131-3_yazyki_i_sredstva_programmirovaniya_34561 (дата обращения 17.03.2011).

  21. Пьявченко Т.А. Проектирование АСУТП в SCADA-системе [Электронный ресурс]: Учебное пособие // Единое окно доступа к образовательным ресурсам. 2007. URL: http://window.edu.ru/window_catalog/redir?id=61205&file=PiavchenkoT.pdf (дата обращения 17.03.2011).