конспект лекцій автоматизація. Конспект лекцій з дисципліни Вступ до спеціальності для студентів денної форми навчання за напрямами підготовки
 Скачать 0.52 Mb.
|
|
МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ ЦЕНТРАЛЬНОУКРАЇНСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ ФАКУЛЬТЕТ АВТОМАТИКИ ТА ЕНЕРГЕТИКИ КАФЕДРА АВТОМАТИЗАЦІЇ ВИРОБНИЧИХ ПРОЦЕСІВ КОНСПЕКТ ЛЕКЦІЙ з дисципліни «Вступ до спеціальності» для студентів денної форми навчання за напрямами підготовки: 151 «Автоматизація та комп’ютерно-інтегровані технології», 141 «Електроенергетика, електротехніка та електромеханіка» спеціалізація «Енергетика та автоматика аграрного комплексу» Розробив: к.т.н., доцент доцент кафедри АВП Голик О.П. Кропивницький 2017 Зміст Вступ…………...…………………………………………………………….3 Тема 1. Основні поняття та визначення дисципліни…………….…...4
Тема 2 . Алгоритмізація та формалізація інженерних задач………..15
Тема 3 . Основи комп’ютерних мереж.…………………………………22
Тема 4. Інформація та її обробка у системах керування………..…...29 4.1. Загальні поняття про інформацію………………………………..…29 4.2. Схема збору, обробки та передачі інформації……………………...30 4.3. Оцінка кількості інформації…………………………………………31 4.4. Основні електричні величини………………………………….……32 Тема 5. Основні поняття про системи керування…………………….34 5.1. Терміни та визначення……………………………………………….34 5.2. Узагальнена структура систем керування…………………………..36 5.3. Класифікація систем керування…………………………………......37 Рекомендована література………………………………..……………..42 Вступ Метою дисципліни є формування у студентів знань з основ автоматизації та комп’ютерно-інтегрованих технологій, класифікації систем керування, методам обробки інформації та передачі даних, побудови алгоритмів роботи систем, розробці схем керування автоматизованими системами. Завдання. Студент повинен ознайомитись з основними термінами та визначеннями, алгоритмізацією та формалізацією задач, основами комп’ютерних мереж, загальними поняттями про інформацію, основними поняттями про системи керування . Оскільки дана дисципліна вивчається студентами на першому курсі, то доцільним є набуття знань з користування текстовими редакторами, наприклад Microsoft Word, що дозволить студентам в подальшому правильно та своєчасно виконувати звіти з лабораторних та практичних робіт, курсові роботи та проекти, реферати та самостійні роботи. У результаті вивчення навчальної дисципліни студент повинен знати:
вміти:
ТЕМА 1 ОСНОВНІ ПОНЯТТЯ ТА ВИЗНАЧЕННЯ ДИСЦИПЛІНИ
Автоматиза́ція — є одним з напрямів науково-технічного прогресу, який спрямовано на застосування саморегульованих технічних засобів,економіко-математичних методів і систем керування, що звільняють людину від участі у процесах отримання, перетворення, передачі і використання енергії, матеріалів чи інформації, істотно зменшують міру цієї участі чи трудомісткість виконуваних операцій. Разом з терміном автоматичний, використовується поняття автоматизований, що підкреслює відносно великий ступінь участі людини у процесі.
Термін автоматизація, натхненний словом автоматичний (похідне з автомата), не було широко використано до 1947 року, коли Форд заснував відділ автоматизації. Саме у цей час, у промисловості швидко починають використовуватися контролери зворотного зв'язку, які з'явилися ще 1930 року. Автоматизації, було досягнуто за рахунок різних засобів, що включають: механічні, гідравлічні, пневматичні, електричні, електронні пристрої та комп'ютери, як правило, у поєднанні. Складні системи, такі як: сучасні заводи, літаки та кораблі, найчастіше, використовують усі ці змішані застосування. Техноло́гія (від грец. τεχνολογια, що походить від грец. τεχνολογος; грец. τεχνη — майстерність, техніка; грец. λογος — (тут) передавати) — наука («корпус знань») про способи (набір і послідовність операцій, їх режими) забезпечення потреб людства за допомогою (шляхом застосування) технічних засобів (знарядь праці).
Найпершим механізмом керування зі зворотним зв'язком, був винайдений 1620 року, голландським ученим Cornelius Drebbel, термостат. (Примітка: перші термостати були регуляторами температури або контролерами, а не двопозиційними загальними механізмами для побутових приладів). Крім того, 1745 року, Вокансон винайшов перший автоматичний ткацький верстат. 1771 року, Річард Аркрайт розробив першу, повністю автоматизовану, прядильну фабрику, що приводилася у дію, гідроенергією (силою біжучої води). Автоматичний млин, було створено Олівером Евансом 1785 року, що робить його першим повністю автоматизованим виробничим процесом. Відцентровий регулятор, який було винайдено Крістіаном Гюйгенсом у сімнадцятому столітті, був використаний для регулювання зазору між жорнами. Інший відцентровий регулятор, було використано Mr. Bunce of Englandв 1784 року, у межах моделі парового крану. Відцентровий регулятор було, також, застосовано Джеймсом Ваттом для використання з паровим двигуном 1788 року на млині. Кілька поліпшень відцентрового регулятора, а також удосконалення клапану відсічення на паровому двигуні, зробили цей двигун, придатним для більшості промисловихзастосувань, вже до кінця 19-го століття. Поступ в області парового двигуна, залишив далеко позаду такі науки, як термодинаміка і теорія керування. Пристрій (відцентровий регулятор) автоматичного регулювання подачі палива, пари або води до машини, що забезпечувало рівномірний рух або обмеження швидкості, отримав порівняно мало наукової уваги, аж поки, Джеймс Клерк Максвелл оприлюднив статтю, яка встановила початок теоретичного підґрунтя для розуміння теорії керування. Розвитокелектронного підсилювача протягом 1920-х років, був важливим для міжміського телефонного зв'язку, та потребував більш високих вимог до шуму, що було вирішено за допомогоюнегативного зворотного зв'язку придушення шуму. Це та інші додатки телефонії, сприяли теорії керування. Військовими застосуваннями під час Другої світової війни, які сприяли і отримали вигоду з теорії керування, були системи управління вогнем та літаками. Так званий, класичний теоретичний розгляд теорії керування, приходиться на 1940-і та 1950-і роки. Релейна логіка, вводилася разом із заводською електрифікацією, яка стала бурхливо розвиватися з 1900 до 1920-х років. Центральні електричні підстанції та введення в експлуатацію нових котлів високого тиску, парових турбін та інше, створили великий попит на прилади й органи керування. Контролери, які були у змозі зробити розрахункові зміни, у відповідь на відхилення від заданої точки, а не лише увімкнено/вимкнено — двопозиційний контроль, почали вводитися з 1930-х років. 1959 року, Texaco’s Port Arthur НПЗ, став першим хімічним заводом з використанням цифрового керування. Переобладнання заводів під цифровий контроль, почало швидко поширюватися у 1970-ті роки, коли ціна комп'ютерного устаткування, знизилася. Відомі застосування. Автоматичний телефонний комутатор було введено 1892 року, разом з набірними телефонами. До 1929 року 31,9 відсотків системи дзвінків, були автоматизовані. Для автоматичного перемикання телефону, спочатку використовувалися лампові підсилювачі й електромеханічні вимикачі, якими споживалася велика кількість електроенергії. Обсяг викликів, у кінцевому підсумку, зріс настільки швидко, що виникло побоювання, ніби телефонна система буде споживати все виробництво електроенергії, що спонукало Bell Labs, почати дослідження стосовно транзисторів. Логіка виконання перемикання телефонних реле, стала натхненням для розробки цифрової обчислювальної машини. Першу комерційно успішну автоматичну модель видування скляних пляшок, було введено 1905 року. Машина, що керувалася за допомогою двох робітників, котрі працювали у дві 12-годинні зміни, могла виробляти 17280 пляшок протягом 24 годин, порівняно з 2880 пляшок, зроблених колективом з шести чоловіків і хлопчиків, які працювали у крамниці протягом дня. Вартість виготовлення пляшок машиною була від 10 до 12 центів за брутто порівняно з $ 1,80 за брутто виготовлених вручну, склодувами та помічниками. Секційні електроприводи було розроблено з використанням теорії керування. Такі електроприводи застосовуються на різних ділянках машини, де повинен підтримуватися точний диференціал між секціями. Під час прокату сталі, металвитягується, по мірі проходження його крізь пари роликів, які повинні працювати за послідовно більш високих швидкостей. Перше застосування секційного електроприводу, було на папероробній машині 1919 року. Одною з найбільш важливих подій у металургійній промисловості протягом 20-го століття, був — безперервний прокат широкої смуги, розроблений Armco 1928 року. Зараз, на початку XXI cтоліття, велика автоматизація практикується майже в усіх видах виробництва та збиральних процесах. Це має на увазі:генерацію електроенергії, нафтопереробну, хімічну, сталеливарну промисловість, виробництво пластмаси, цементних заводів, заводів з виробництва добрив, целюлозно-паперових комбінатів, автомобільних заводів, виробництво літаків, виробництво скла та інше. Роботи, особливо корисні за небезпечних застосувань, таких як забарвлення автомобілів розпиленням. Роботи також, використовуються задля складання електронних плат (марудна та дуже точна праця). Автомобільне зварювання також, здійснюється за допомогою роботів та автоматичних зварювальних апаратів і застосовуються у трубопроводах.
Переваги та недоліки. Основними перевагами автоматизації є:
Наступні методи часто використовуються задля підвищення продуктивності, якості або надійності.
Основними недоліками автоматизації є:
У виробництві, мета автоматизації, набула ширшого значення, ніж продуктивність, вартість і час. Автоматизація, окрім об'єкта керування, вимагає додаткового застосування давачів (сенсорів), керувальних пристроїв (контролерів із засобами вводу-виводу), виконавчих механізмів та у переважній більшості, базується на основі використання електронної техніки та методів обчислень, що іноді наслідують нервові і розумові функції людини. Автоматизуються:
Мета автоматизації — підвищення продуктивності праці, поліпшення якості продукції, покращення керування, усунення людини від виробництв, небезпечних для здоров'я. Автоматизація, за винятком простих випадків, вимагає всебічного, системного підходу до рішення завдання, тому окремі вирішення завдань засобами автоматизації, зазвичай називаються системами, наприклад:
Система автоматизації — інформаційно об'єднана сукупність програмованих пристроїв автоматизованого та автоматичного контролю, регулювання та керування. Галузі, де автоматизація є важливою: виробництво сталі, гірнича справа, машинобудування, хімічне виробництво, харчова промисловість, енергетика, керування автомобільним,залізничним і повітряним транспортом. Складовими елементами системи автоматизації є підсистеми:
На початку 2000-х років, інженери можуть мати цифровий контроль над автоматизованими пристроями. У підсумку, було швидко розширено межі застосування та діяльності людини. Автоматизовані технології тепер служать основою для математичних та організаційних інструментів, використовуваних для створення складних систем. Відомими прикладами є — системи автоматизованого проектування (САПР) та автоматизованого виробництва. Інформаційні технології, разом з промисловими машинами та процесами, можуть допомогти у розробці, реалізації та моніторингу систем керування. Один із прикладів промислової системи керування, являє собою програмований логічний контролер (ПЛК). ПЛК це спеціалізовані загартовані комп'ютери, які часто використовуються длясинхронізації потоку вхідних даних від (фізичних) давачів і подій, з потоком виходів на виконавчі пристрої та події. Людино-машинні інтерфейси (HMI) або інтерфейси комп'ютер-людина (CHI), зазвичай, використовуються для зв'язку з ПЛК та іншими комп'ютерами. Допоміжний персонал, який стежить та контролює через HMI, можна назвати різними іменами. У промислових технологічних і виробничих умовах, вони називаються операторами або щось подібне. Укотельнях та центральних відділах комунального господарства, їх називають стаціонарними інженерами. Існують різні види засобів автоматизації:
Коли справа доходить до автоматизації виробничих процесів, хост-моделювання програмного забезпечення (HSS), є широко використовуваним інструментом тестування, який застосовується для налаштування програмного забезпечення обладнання. HSS використовується для тестування продуктивності обладнання за заводськими стандартамиавтоматизації (тайм-ауту, часу відгуку, часу обробки). Сучасна технологія не здатна автоматизувати усі потрібні завдання. Багато операцій з використанням автоматизації мають чисельний інвестований капітал та виробляють великі обсяги продукції, що робить збої надзвичайно дорогими та потенційно небезпечними. Таким чином, потрібен деякий персонал для забезпечення того, щоби вся система працювала належним чином, і щоби підтримувалася безпека йякість продукції. Оскільки процеси стають усе більш автоматизованими, треба все менше і менше праці задля збереження або поліпшення якості, які можна отримати. Хоча, все більше і більше процесів, стають автоматизованими, залишаються, тим не менше, неавтоматизовані ділянки. Це приклад вичерпання можливостей. Проте, нові технологічні парадигми, можуть встановити нові обмеження, які перевершать попередні. Багато ролей для людей у промислових процесах, досі знаходяться за межами сфери автоматизації. Розпізнавання образів людського рівня, розуміння мови та здатність розмовляти, виходять далеко за рамки можливостей сучасних механічних і комп'ютерних систем. Завдання, що вимагають суб'єктивної оцінки або підсумовування складних данихдавачів, таких, як запахи і звуки, а також, завдань високого рівня, таких як стратегічне планування, на початку XXI століття, ще вимагають людського досвіду. У багатьох випадках, використання людей є більш економічно вигідним, ніж застосування механічних підходів, навіть там, де автоматизація виробничих завдань можлива. Створення теорії, допоможе подоланню цих перешкод, на шляху до післядефіцитної економіки. Парадокс автоматизації полягає у тому, що чим ефективніше автоматизовано системи, тим більш важливий, людський внесок операторів. Люди залучаються в усе меншій мірі, але їх участь стає все більш критичною. Якщо автоматизована система має похибку, вона буде множити цю помилку, поки хиба, не стане поміченою або усуненою, людським оператором. Важким прикладом цього, є катастрофа рейсу Air France 447, де відмова автоматизації, примусила пілотів до ручного керування літаком Airbus A330 — події, до якої вони не були готові. Приклади використання автоматизації. Автоматизація роздрібної торгівлі Ресторан У харчовій промисловості почали застосовувати автоматизацію процесу замовлення; Макдональдс представила сенсорний екран та впорядкування платіжних систем у багатьох зі своїх ресторанів, чим зменшила потребу касирів. Техаський університет в Остіні представив повністю автоматизоване кафе роздрібної торгівлі. Деякі кав'ярні та ресторани, використовують мобільні і планшетні "додатки" (замовлення й оплата на пристрої), щоби зробити процес замовлення для клієнтів більш зручним. Інші ресторани, автоматизували доставку їжі до столів клієнтів, з використанням конвеєр-системи. Щоби замінити обслугу, іноді використовують роботів. Крамниці Багато супермаркетів і навіть невеликих магазинів, швидко вводять касові системи самообслуговування, що знижує потребу у найманні працівників задля оформлення покупки. Інтернет-магазин можна вважати формою автоматизованої роздрібної торгівлі, де оплата й оформлення замовлення, відбувається крізь автоматизовану онлайн-систему обробки транзакцій. Інші форми автоматизації також, можуть бути невід'ємною частиною інтернет-магазинів, наприклад, розгортання автоматизованої складської робототехніки, яка застосовується, наприклад, на Amazon за допомогою Kiva Systems. Автоматизований видобуток Передбачається усунення людської праці з процесу видобутку. Гірничодобувна промисловість на початку 2000-х років, є у процесі переходу до автоматизації. Натепер, вона все ще потребує великої кількості людського капіталу, особливо у країнах третього світу, де витрати на робочу силу є низькими, так що є менше стимулів для підвищення ефективності за рахунок автоматизації. Автоматизовані системи відеоспостереження Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) почала дослідження та розробку автоматизованого візуального спостереження та контролю, на виконання програми (VSAM), в період між 1997 і 1999 роками, і бортових систем відеоспостереження програми (AVS), з 1998 по 2002 рік. Тепер докладаються великі зусилля задля реалізації бачення спільноти, щодо розроблення повністю автоматизованої системи відстеження. Автоматизоване відеоспостереження, контролює людей та транспортні засоби у режимі дійсного часу у певному середовищі. Автоматизовані системи спостереження, які існують, засновано на тому, що їх, насамперед, призначено для спостереження у приміщенні, простонеба, або у повітрі, за наявності певної кількості давачів, дані з яких, автоматизована система, може обробляти. Метою системи відеоспостереження, є запис властивостей та траєкторійоб'єктів у тій чи іншій області, видавання попередження або повідомлення уповноваженому органу, у разі виникнення тих чи інших подій. Повна автоматизація, зазвичай, визначається як така, що не вимагає ніякого контролю, або дуже обмежений контроль з боку водія; такої автоматизації буде досягнуто за рахунок поєднання давачів, комп'ютерів і систем зв'язку у транспортних засобах, та вздовж проїзної частини. Повністю автоматизоване керування буде, теоретично, дозволяти ближчівідстані між транспортними засобами та більш високі швидкості, які могли б підвищити пропускну здатність у місцях, де додаткове дорожнє будівництво, фізично неможливе, політично неприйнятне або занадто дороге. Автоматизовані засоби керування, також, можуть підвищити безпеку дорожнього руху, за рахунок скорочення можливостей для помилки водія, які викликають велику частку дорожньо-транспортних пригод. Іншими можливими перевагами є: поліпшення якості повітря (як підсумок більш економічних транспортних потоків), збільшення заощадження палива, а також спін-офф технологій, що з'являються у ході досліджень і розробок, пов'язаних з автоматизованими системамишосе. Контрольні питання
|