Алгоритмизация и программирование задач логического управления

Введение

Логическое управление широко используется в автоматизированных системах управления технологическим процессом (ТП). Функции логического управления заключаются в выработке сигналов управления на основании логического анализа исходной информации, характеризующей состояние технологического оборудования. Системы логического управления (СЛУ) обеспечивают решение задач автоматизированного пуска, останова, перевода из одного режима работы в другой, а также более простых задач – автоматических блокировок и защит, предупреждения и аварийной сигнализации и др. В децентрализованной системе управления устройства логического управления могут реализовываться аппаратными способами на базе релейных схем, полупроводниковых интегральных логических элементов. С появлением микропроцессорной техники проявляется тенденция замены аппаратных средств управления с фиксированной структурой программными средствами с применением программируемых микропроцессорных контроллеров.

При практической реализации СЛУ исходная информация от объекта управления поступает в систему логического управления в форме дискретных сигналов: «1» или «0» (включён-выключен, открыт-закрыт, высокий или низкий уровень технологического параметра). Управляющие воздействия, формируемые в системе логического управления, также рассматриваются как двоичные логические переменные, принимающие значения либо «1», либо «0», а сама система представляется комбинационной схемой. Её можно задать двумя способами: таблицей истинности или функцией алгебры логики (булевой алгебры), связывающими выходные и входные логические переменные. Обычно исходной формой является таблица истинности, которая составляется при формулировании задачи логического управления.

В распределённых автоматизированных системах управления (АСУ) ТП системы или устройства логического управления реализуются аппаратным или программным способами. При аппаратной реализации по таблице истинности записываются логические (переключательные) функции и составляется структурная схема в выбранном базисе. Устройство управления строится с использованием полупроводниковых интегральных логических элементов (ИЛЭ). Создание таких устройств с «жёсткой» (неизменной) структурой экономически оправдано при небольшом количестве входных и выходных переменных (до 20). Аппаратная реализация алгоритмов логического управления характеризуется высоким быстродействием. Основные недостатки – сложность схем, значительная потребляемая мощность, узкая специализация, что обусловливает необходимость разработки новых устройств при модернизации алгоритмов.

Создание принципиально новой элементной базы – микропроцессоров (МП) послужило предпосылкой для реализации новой идеологии в построении приборов, систем обработки данных и управления. МП представляет собой универсальную полупроводниковую большую интегральную схему (БИС) с программируемой логикой. МП включает в себя средства обработки информации и управления процессом обработки и в настоящее время состоит из одной программно-управляемой БИС.

Для систем управления характерна значительная взаимоудалённость компонентов системы. Применение МП невысокой стоимости и малых габаритов позволяет устанавливать их непосредственно на управляемом оборудовании (встроенные МП средства). Такой подход вносит существенные коррективы в стратегию управления, что относится в первую очередь к созданию распределённых (децентрализованных) систем управления ТП и производствами. Особенность таких систем заключается либо в рассредоточенном расположении средств управления, либо в разделении функций управления между несколькими МП комплексами, либо в том и другом одновременно. Основными чертами распределённых систем управления является их более высокое быстродействие, гибкость и адаптивность к решению задач, повышенная живучесть.

Основными средствами локального управления в настоящее время являются МП контроллеры или микроконтроллеры (МК), включающие в себя МП и различные аппаратные средства, необходимые для решения задач связи с объектом, отображения информации и др. Они решают практически любые задачи по реализации алгоритмов автоматического регулирования непрерывных и непрерывно-дискретных ТП, логического управления, могут встраиваться в контрольно-измерительные приборы, периферийные устройства, обрабатывающие станки, транспортные механизмы и др. Области применения МК и выполняемые ими функции непрерывно расширяются.

Алгоритмизация и программирование задач логического управления

Разработка алгоритмов и программ для СЛУ проводится в такой последовательности:

1. Формулирование требований к системе управления: выбор входных х_i и выходных u_j (управляющих) переменных.

2. Математическая формулировка задачи управления: составление таблицы истинности, представление зависимостей выходных переменных от входных в аналитической форме – логическими формулами u_j=f_j (х_i), где
х = (х₁, х₂,…х_n).

3. Минимизация логических функций.

4. При аппаратной реализации СЛУ синтезируется принципиальная электрическая схема на заданной элементной базе. При программной реализации системы логического управления составляется алгоритм и программа решения задачи управления в соответствии с системой команд выбранного МП или МК. Программирование осуществляется на языке МК либо на каком-либо макроязыке с последующим ассемблированием.

5. Отладка, испытание и ввод в эксплуатацию системы управления.

Расчётное задание выполняется для объекта управления, представляющего собой резервуар-смеситель, в котором при смешивании двух исходных материалов производится готовый продукт (рис. 1).

<

<

>

<

>

>

компонент 2

компонент 1

клапан 3

клапан 2

клапан 1

неиспр-ть концентра-томера

Рис. 1. Объект управления – резервуар-смеситель

Контролируемыми параметрами являются:

- Q₁ = x₁ – концентрация первого компонента в готовом продукте;

- Q₂ = x₂ – концентрация второго компонента в готовом продукте;

- L = x₃ – уровень готового продукта в резервуаре.

Задача системы управления состоит в поддержании определённого соотношения компонентов в продукте и запаса готового продукта, т.е. его уровня в резервуаре.

Для управления могут использоваться клапаны 1, 2 на трубопроводах подачи исходных материалов и 3 – на трубопроводе слива готового продукта.

Входные переменные x_1, x_2, x₃ системы управления рассматриваются как дискретные, принимающие значения «0» при нормальной величине соответствующего технологического параметра или «1» - при отклонениях от нормы. В зависимости от постановки задачи управления за единичное значение входной переменной может приниматься её величина ниже нормы или выше нормы. Очевидно, что если одновременно x₁ = 1 и x₂ = 1, то это означает неисправность одного из концентратомеров.

Управляющие переменные также принимают дискретные значения «0» или «1», им соответствуют сигналы прикрытия u₁, u₂, u₃ или приоткрытия u₂, u₄, u₆ клапанов.