Принципы построения и основы наладки контроллеров и систем автоматики

Книга предназначена для широкого круга инженерно-технического персонала, занимающегося разработкой, наладкой, вводом в эксплуатацию и модернизацией микропроцессорных устройств и систем промышленной и судовой автоматики.
Она будет полезна также преподавателям, аспирантам и магистрам для внедрения материалов книги в учебный и научно-исследовательский процесс.
Рассмотрена и одобрена Ученым Советом Института последипломного образования ОМТЦ, протокол № 4 от 08.04.2010

Содержание
Введение
1. Контроллеры
1.1. Программируемые контроллеры
1.1.1. Определение программируемого контроллера
1.1.2. Альтернативы программируемым контроллерам
1.1.2.1.Управление, базируемое на персональном компьютере (PC-based control)
1.1.2.2. Распределённые системы управления
1.1.2.3. Релейное управление
1.1.2.4. Одноплатные контроллеры (Single-board controllers)
1.1.3. Функции программируемого контроллера
1.1.3.1. Выбор сети
1.1.3.1.1. Общие сведения
1.1.3.1.2. Пример информационной сети
1.1.3.1.3. Пример управляющей сети
1.1.3.1.4. Пример аппаратной сети (DeviceNet)
1.1.3.1.5. Последовательное (serial) соединение
1.1.3.2. Выбор устройств ввода/вывода (I/O)
1.1.3.2.1. Базирующиеся на шасси или распределенные устройства ввода/вывода?(Chassis-based vs Distributed I/O)
1.1.3.2.2. Типы I/O устройств
1.1.3.2.3. Специально применяемые требования
1.1.3.3. Выбор программного обеспечения
1.1.3.3.1. Общие сведения
1.1.3.3.2. Языки программирования
1.1.3.3.3. Стандарты программного обеспечения
1.1.3.3.4. Программное обеспечение для управляющего компьютера (Soft control)
1.1.3.3.5. Другие пакеты программного обеспечения
1.1.3.4. Выбор контроллеров
1.2. Автономные контроллеры (Stand-alone controllers)
1.2.1. Общие сведения
1.2.2. Одно и двухконтурные контроллеры
1.3. Гидравлические контроллеры
1.3.1. Введение
1.3.2. Элементы гидравлических контроллеров
1.3.3. Гидравлические усилители
1.3.3.1. Инжекторный клапан
1.3.3.2. Откидной клапан (Flapper valve)
1.3.3.3. Золотниковый клапан (spool valve)
1.3.3.4. Электрогидравлический усилитель
1.3.3.5. Сервоклапана - Servo Valves
1.3.3.6. Пропорциональные клапана
1.3.3.7. Гидравлические жидкости
1.3.3.8. Пожаростойкие жидкости
1.3.4. Источники энергии (Power considerations)
1.3.5. Применение гидравлических систем управления (applications)
2. Распределённые системы управления
2.1. Введение
2.2. Эволюция распределённых систем управления
2.2.1. Общие сведения
2.2.2. Интервал выборки данных, обусловленный временем простоя (dead time)
2.2.3. Ввод контуров: Последовательность ввода в действие (Initialization Sequences) и безударно стабилизированный переход (Bumpless-BalancelessTransfer)
2.2.4. Гибридные проекты с автоматическим или ручным резервированием (backup) на аналоговой технике
2.2.5. Переход от автоматического контроля к производственному управлению
2.3. Направления рынка (marked trends)
2.3.1. Шины связи (fieldbus) и развитые устройства (intelligent devices)
2.3.2. Интернет технология
2.3.3. Компоненты и контейнеры объектно-ориентированного программного обеспечения
2.3.4. Расширенная архитектура
2.3.5. Заключение
2.4. Интегрированные распределённые системы (Field based systems)
2.4.1. Общие сведения
2.4.2. Аппаратное обеспечение (Hardware)
2.4.3. Программное обеспечение (Software)
2.4.4. Характеристики интегрированной системы
2.4.5. Результаты внедрения распределённой системы (Field-based system results)
2.4.6. Заключение
3. Вычисление и управление
3.1. Общие сведения
3.2. Изначальное применение компьютеров в системах управления
3.3. Персональный компьютер в промышленных приборах
3.3.1. Общие сведения
3.3.2. Основы PC
3.3.3. Основные компоненты PC
3.3.4. Типы памяти PC
3.3.5. Быстродействие PC (PC speed)
3.3.6. Управление и преобразование информации
3.3.7. Сопряженность PC
3.3.8. Программное обеспечение PC
3.3.9. Способы управления софтом
3.3.10. Прогресс в усилении PC
3.4. Терминология
3.5. Распределённое числовое программное управление и организация сети. (Distributed numerical control and networking)
3.5.1. Общие сведения
3.5.2. Распределённое числовое программное управление.
3.5.2.1. Общие сведения
3.5.2.2. Базисная конфигурация DNC
3.5.2.3. Компоненты систем DNC
3.5.2.4. Дополнительные исполнительные функции
3.5.3. Операционные системы DNC
3.5.3.1. Общие сведения
3.5.3.2. Функциональная "размытость" нечёткость (Blur)
3.5.3.3. Персональные компьютерные DNC-системы
3.5.3.4. Сети типа UNIX-Based
3.5.3.5. Сеть Novell
3.5.3.6. Направления систем DNC
4. Управление цикличными процессами
4.1. Общие сведения
4.2. Цикличный принцип
4.3. Описание и систематика циклового процесса
4.4. Факторы системного выбора
5. Спецификация производственных месседжей
5.1. Введение
5.1.1. Что такое MMS?
5.1.2. История MMS
5.1.3. Стандарт MMS
5.1.4. Выгоды MMS (Benefits of MMS)
5.1.5. Обоснованность MMS (Justifying MMS)
5.2. Модель VMD (The VMD MODEL)
5.2.1. Общие сведения
5.2.2. Взаимосвязь пользователь/сервер (Client/server Rela-tionship)
5.2.3. Реальные и виртуальные устройства и объекты (Real and Virtual Devices and Objects)
5.2.4. Моделирование MMS устройства и объекта (MMS Device and Object Modeling)
5.2.5. Объекты MMS (MMS Objects)
5.2.6. Объект VMD (VMD Object)
5.2.7. Вспомогательные службы VMD (VMD Support services)
5.3. Исполнительная модель VMD
5 3.1 Общие сведения
5.3.2. Домены (Domains)
5.3.3. Программный вызов (Program Invocation)
5.3.4. Пример цикличного контроллера (Batch Controller Example)
5.4. Модель выборки переменных (Variable-access model)
5.4.1. Общие сведения
5.4.2. Переменные MMS (MMS Variables)
5.4 3. Сервисы выборки переменных (Variable-Access Services)
5.4.4. Характеристики выборки переменных (Variable-Access Features)
5.5. Модель управления событием (Event management model)
5.5.1. Общие сведения
5.5.2. Объект событийного состояния (Event Condition Object)
5.5.3. Событийные действия (Event Actions)
5.5.4. Регистрация новых событий (Event Enrollments)
5.6. Семафорная модель управления (Semaphore man agement model)
5.6.1. Общие сведения
5.6.2. Семафоры на право доступа (Token semaphores)
5.6.3. Семафоры пула, накопителя (Pool semaphores)
5.6.4. Семафорный вход (Semaphore Entry)
5.6.5. Сервисы семафора (Semaphore Services)
5.7. Другие MMS объекты (Other mms objects)
5.7.1. Объект операторской станции (Operator Station Object)
5.7.2. Журнальные объекты (Journal Objects)
5.7.3. Файлы (Files)
5.8. Управление контекстами (Context management)
5.8.1. Общие сведения
5.8.2. Ассоциации относительно связей (Association vs Connection)
5.8.3. Сервисы управления контекстами (Context Management Services)
5.9. Резюме (Summary)
6. Основы и методы управления процессами
6.1. Принципы управления
6.1.1. Характеристики типовых процессов
6.1.2. Двухпозиционное и пропорциональное регулирование
6.1.2.1. Процесс двухпозиционного регулирования
6.1.2.2. Пропорциональное управление
6.1.2.3. Разбаланс (offset)
6.1.3. Ручная и автоматическая подстройка разбаланса
6.1.4. Коррекция по производной (Derivative action, Rate action)
6.1.5. Пропорционально-интегрально-дифференциальные(ПИД) контроллеры (Proportional-integral-derivative)
6.1.6. Подбор и настройка контроллеров
6.2. Методы управления процессами
6.2.1. Общие положения
6.2.2. Описание пространства состояний (State-space representation)
6.2.3. Управление с разомкнутой и замкнутой обратной связью. Запас устойчивости
6.2.3.1. Управление с разомкнутой обратной связью (Open-loop control)
6.2 3.2. Управление с обратной связью
6.2.3.3. Запас устойчивости (робастность)
6.2.4. Управление с прямой связью
6.2.5. Многосвязное управление (Multiple-loop control)
6.2.6. Представление возмущений (Disturbance representation)
6.2.7. Управление с минимальным временем запаздывания (Minimum-Time Switching Control)
6.2.8. Расчет минимального расхождения (Minimum Variance Design)
6.2.9. Модель управления с обратной связью (Model Feedback Control) :
6.2.10.Алгебраический расчет пропорционально интегрально-дифференциальных составляющих ПИД-контроллеров
6.2.11. Фильтрация побочных низкочастотных составляющих (Antialias Filtering)
6.2.12. Адаптивное управление
6.2.13. Системы распознавания образов (pattern recognition) и экспертные системы, адаптер с обратной связью по выходу
6.2.14. Идентификация дискретной модели. Адаптация разомкнутого контура
6.2.15. Модель непрерывного прогноза. Адаптация разомкнутого контура (Continuous-model identification, open-loop adaptation)
6.2.16. Метод наименьших квадратов (least-squares method), порционно-параметрический прогноз (batch parameter identification)
6.3. Основы алгоритмов управления
6.3.1. Структуры традиционного управления процессом
6.3.2 Системы счисления и основы арифметики
6.3.3. Формат с фиксированной запятой
6.3.4. Масштабирование расчетов с фиксированной запятой
6.3.5. Диапазон применения и погрешность арифметики с фиксированной запятой
6.3.6. Умножение и деление с фиксированной запятой
6.3.7. Цифровое интегрирование при управлении
6.3.8. Формат плавающей запятой
6.3.9. Обобщенный многоточный формат плавающей запятой
6.3.10. Спецификация алгоритмов с фиксированной запятой
6.3.11. Операционные запросы (operational issues)
6.3.12. Входные ограничения: внешняя обратная связь
6.3.13. Внешняя обратная связь в нелинейных компенсаторах
6.3.14. Базовый алгоритм управления
6.3.15. Расчет PID контроллера
6.3.16. Расчет времени нечувствительности (Dead time)
6.3.17. Действия квантования и насыщения
6.3.18. Идентификационные и матрично-ориентированные результаты
6.3.19 Программное обеспечение и прикладные задачи
7. Обработка сигналов данных в компьютеризованных системах
7.1. Общие сведения
7.2. Типы сигналов
7.3. Концевые панели (Termination panels)
7.4. Внешние сигналы и преобразователи (Field signals and transducers)
7.4.1. Общие сведения
7.4.2. Термопары (Thermocouples)
7.4.3. Температурные датчики твёрдого состояния (Solid-state temperature sensors)
7.4.4. Резисторные температурные детекторы (Resistance Temperatures Detectors - RTDs)
7.5. Системы сбора данных (Sampled-data systems)
7.6. Системы аналогового ввода (Analog input systems)
7.6.1. Общие сведения
7.6.2. Аналогово-цифровые преобразователи (Analog-to-Digital Converters - A/D)
7.6.3. Усилители (Amplifiers)
7.6.4. Одноконцевые и разностные сигналы (Single-Ended versus Differential Signals)
7.6.5. Устранения помехи общего вида (Common-Mode Rejection)
7.6.6. Система выборки и удержания данных (Sample/Hold System)
7.6.7. Мультиплексоры
7.6.8. Обработка аналоговых сигналов (Analog Signal Conditioning)
7.6.9. Фильтрация (Filtering)
7.6.10. Масштабирование аналоговых сигналов (Analog Signal Scaling)
7.6.11. Входная буферизация (Input Buffering)
7.6.12. Резисторные сигналы (Resistance Signals)
7.6.13. Преобразование тока (Current Conversion)
7.6.14. Трансмиттеры (Transmitters)
7.6.15. Защита от перенапряжения (Surge Protection)
7.6.16. Аналоговые развязки (Analog Isolation)
7.7. Аналоговые выходы (Analog outputs)
7.7.1. Цифро-аналоговые преобразователи (Digital-to-Analo Converters - D/A)
7.7.2. Фильтрация выхода (Output Filtering)
7.8. Цифровые входы и выходы (Digital inputs and out puts)
7.8.1. Общие сведения
7.8.2. Импульсные и частотные входы и выходы (Pulse and Frequency Inputs and Outputs)
7.8.3. Масштабирование цифровых сигналов (Digital Signal Scaling)
7.8.4. Цифровое разделение (Digital Isolation)
7.8.5. Чувствительность контактов (Contact Sensing)
7.8.6. Управление реле (Relay Driving)
7.8.7. Управление электродвигателем (Motor Control)
8. Помехи и разводка при управлении информационными сигналами (Noise and wiring in data signal handling)
8.1. Общие сведения
8.2. Принципы заземления и экранирования (Grounding and shielding principles)
8.2.1. Общие сведения
8.2.2. Типы кабелей (Cable Types)
8.3. Устранение неисправностей из-за помех (Troubleshooting guide for noise)
8.3.1. Общие сведения
8.3.2. Руководства по длине кабеля (Cable-Length Guidelines)
9. Промышленные управляющие сети (Industrial control networks)
9.1. Общие сведения
9.2. Концепции ранних сетей (Early networking concepts)
9.2.1. Общие сведения
9.2.2. Ранние информационные магистрали (Early Data Highways)
9.3. Сетевые протоколы (Network protocols)
9.3.1. Общие сведения
9.3.2. CSMA/CD Protocol (IEEE 802.3)
9.3.3. Протокол доступа к шинам IEEE 802.4 (Token Bus Pro-tocol IEEE 802.4)
9.3.4. Протокол кольцевого доступа (Token Ring Protocol(IEEE 802.5))
9.4. Спои и модели коммуникаций (Communication models and layers)
9.4.1. Общие сведения
9.4.2. Протокол автоматизации производства (Manufacturing Automation Protocol)
9.4.3. Открытые системы (Open Systems)
9.4.4. Шинные коммуникации (Fieldbus)
9.5. Оптоволоконные кабели и сети (Fiber-optic cables and networks)
9.5.1. Общие сведения
9.5.2. Характеристики оптоволокон и кабелей
10 Управление периодическим процессом: применение стандарта S88.01. (Batch control: applying the S88.01 standard)
10.1. Введение
10.2. Определения (Definitions)
10.3. Способы действия (Recipes)
10.3.1. Общие сведения
10.3.2. Типы способов действий (Recipe Types)
10.3.3. Категории информационных средств (Recipe Information Categories)
10.4. Категории оборудования (Equipment Entities)
10.4.1. Общие сведения
10.4.2. Управление оборудованием (Equipment Control)
10.4.3. Физическая модель (Physical Model)
10.4.4 Подразделение аппаратурных средств (Partitioning Equipment Entities)
10.4.5. Связь между моделью процедурного управления физической моделью и моделью процесса (Procedural Control Model/Physical Model/Process Model Relationship)
10.5. Сепарация между алгоритмом рецепта и управлением оборудования
10.6. Техника управления и обработки (Process and control engineering)
10.7. Функциональная спецификация систем управления (Control system functional specification)
10.8. Выводы
11. Нейросети
11.1. Искусственные нейросети
11.2. Историческое развитие
11.3. Классификация искусственных нейросетей
11.4. Перцептрон обратной передачи многослойной ошибки (The multilayer error backpropagation)
11.5. Прикладные классы и типовые архитектуры перцептронов обратного прохождения многослойной ошибки
11.5.1. Общие сведения
11.5.2. Распознавание образов (Pattern Recognition)
11.5.3. Интерполяция/Функциональное приближение
11.5.4. Параметрическая оценка и системная идентификация
11.5.5. Управляющие прикладные обеспечения (Control Applications)
11.6. Применение искусственных нейросетей
11.6.1. Виртуальные датчики
11.6.2. Нейроконтроллеры и оптимизация процессов (Neurocontrollers and Process Optimization)
11.6.3. Другие применения искусственных нейросетей (Other Artificial Neural Network Applications)
11.7. Выбор инструментария ANN (Selection of an Artificial Neural Network TOOL)
11.8. Практические руководства к построению искусственных нейросетей
11.9. Современное состояние и перспективы развития искусственных нейросетей
11.9.1. Циклические архитектуры NN (Recurrent Network Architectures)
11.9.2. Генетические и эволюционные обучающие алгоритмы (Genetic and Evolutionary Training)
11.9.3. Нечеткая логика/Гибридные системы NN (Fuzzy Logic/Neural Network Methods)
12. Многомерное прогностическое управление и оптимизация реального времени (Multivariable predictive control and real-time optimization)
12.1. Что такое многомерное прогностическое управление и оптимизация реального времени?
12.1.1. Общие сведения
12.1.2. Базовые концепции вынужденного многомерного прогнозного управления (СМРС)
12.1.3 Основные концепции оптимизации реального времени (RTO - real-time optimization)
12.2. Математические основы вынужденного многомерного предикативного управления и "real-time" оптимизации
12.2.1. Общие сведения
12.2.2. Линейные системы
12.2.3. Представления процесса (Process Representations)
12.2.4. Предиктивное управление.(Predictive Control)
12.2.5. Гашение перемещений (Move Suppression)
12.2.6. Расширение для многомерного случая (Extension to the Multivariable Case)
12.2.7. Управление с ограничениями и оптимизация с учётом экономических показателей (Constraint Handling and Economic Optimization)
12.3. Обоснование многомерного предиктивного управления с ограничениями (СМРС - constrained multivariable predictive control) и оптимизация в реальном времени
12 4. Руководства по моделированию процесса для СМРС
12.4.1. Общие сведения
12.4.2. Моделирование импульсной характеристики (Impulse Response Modeling)
12.4.3. Анализ временных последовательностей (Time Series Analysis)
12.4.4. Практические рекомендации по моделированию процессов (Process Modeling Rules of Thumb)
12.5. Многомерный предиктивный ограниченный контроллер. Регулировка и конструктивные особенности
12.6. Руководства по оптимизации в реальном времени (real-time optimization guidelines)
12.7. Вопросы обслуживания СМРС и RTO
12.8. Дальнейшие направления развития СМРС
13. Совершенствование продвинутых регуляторных систем управления
13.1. Необходимость и проблемы
13.1.1. Общие сведения
13.1.2. Причины плохого исполнения
13.1.3. Хорошая практика.
13.2. Методика настройки замкнутого контура
13.3. Сокращенный метод настройки
13.4. Упрощённый метод настройки Дахлина или Ламбды
13.5. Практические меры по улучшению исполнения
14. Статические преобразователи управления скоростью приводов
14.1. Общие сведения
14.2. Полупроводниковые устройства включения
14.3. Технология управления приводом
14.4. Системы электроприводов постоянного тока
14.5. Выводы по тиристорным приводам постоянного тока
14.6 Приводы переменного тока частотного регулирования
14.7. Приводы переменной скорости с индукционными моторами i
14.8. Схемы питания: токовые и напряжения. Две основные топологии
14.9. Приводы переменной частоты среднего напряжения (Medium - voltage variable frequency drives)
14.10. Инвертор с коммутируемой нагрузкой (The load соmmutated invertor (LCI))
14.11. Тиристорные приводы с коммутируемым фильтром (Filter commutated thyristor drive)
14.12. Токовый запираемый инвертор (Current - fed gtoinvertor)
14.13. Инвертор с фиксированной точкой нейтрали (Neutral point-clamped invertor)
14.14. Многоуровневый инвертор с последовательными элементами
14.15. Циклоконвертор
Приложение 1. Безопасность в измерительных и управляющих системах
П. 1.1. Классификация сред и материалов
П. 1.2. Техника, применяемая для снижения опасности взрыва
П. 1.3. Внутренняя безопасность (Intrinsic safety)
П. 1.4. Основы техники исполнения (techniques), используемые производителем
П. 1.5. Сертификация искробезопасной аппаратуры
П. 1.6. Системный дизайн, использующий коммерческую внутрибезопасную и присоединенную аппаратуру
П. 1.7. Установка внутренне безопасных систем
П. 1.8. Воспламенение от оптических источников
Список литературы