Цифровые системы автоматического управления

П-регуляторы 
АФЧХ разомкнутой системы:
( )
( ), если
, то годограф разомкнутой 
системы отличается от характеристики объекта только размерностью (очевидно, что годограф 
разомкнутой системы сам по себе безразмерен). Если коэффициент пропорциональности 
регулятора не равен единице, то каждый вектор годографа, не меняя своего направления, 
изменяется в длине в
раз.
Следовательно, в системах регулирования с П-регуляторами и объектами управления, имеющими 
годограф вида увеличение
ухудшает устойчивость системы, так как при этом АФЧХ 
разомкнутой системы разбухает и может охватить -1, поэтому условие границы устойчивости 
может быть записано следующим образом
(
) , где
– частота, в которой 
годограф пересекает вещественную отрицательную полуось.
(
)
, то есть 
критический коэффициент передачи П-регулятора равен обратной величине отрезка, отсекаемого 
на отрицательной вещественной полуоси АФЧХ регулируемого объекта.
ПИ регуляторы 
Передаточная функция:
( )
(
)
( ) 
( )
( )
( )
Таким образом, чтобы получить АФЧХ разомкнутой системы с ПИ-регулятором при
и 
некоторым заданным временем интегрирования следует каждому вектору АФЧХ регулируемого 
объекта добавить длиной , который имеет значение
, повернутый на 90 градусов по 
часовой стрелке. Критическая величина коэффициента передачи регулятора
для 
выбранного значения времени интегрирования
равна обратной величине отрезка отсекаемого 
характеристикой
( ) на отрицательной вещественной полуоси.  

---

ПИД-регулятор 
Передаточная функция:
( )
( )
(
)
 
Для некоторого
характеристика строится аналогично предыдущему случаю
. Подобным образом вычисляется
. В результате расчетов в плоскости параметров 
настройки регуляторов
и
можно построить семейство кривых, которые для различных 
значений отношения альфа определят границы области устойчивости. 
SCADA системы. Основные тезисы и понятия. 
Деятельность SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition) (Диспетчерское управление и сбор 
данных) определена развитием системы управления и результатами научно-технической 
деятельности. Использование SCADA-технологий повышает достижения большого уровня 
автоматизации в решении задач разработки систем управления, обработки, сбора, передачи, 
хранения и отображения данных. Полнота и наглядность представляемой на экране информации, 
дружественность человеко-машинного интерфейса, предоставляемого SCADA-системами, 
удобство пользования подсказками и справочной системой, доступность рычагов управления и 
тому подобное увеличивают эффективность взаимодействия системы с диспетчером и приводят к 
минимуму его опасной ошибки при взаимодействии.
Управление технологическими процессами на основе SCADA-систем стало осуществляться в 
западных странах в 80ые годы прошлого столетия. Область их применения охватывает нелегкие 
отрасли водо- и энергоснабжения, нефтехимические, химические, нефтеперерабатывающие 
промышленности, ж/д транспорт, транспортировка газа, нефти и другие. В нашей стране SCADA-
системы опирались главным образом на опыт оперативного персонала. Уход к управлению на 
основе SCADA-систем осуществился гораздо позже, чем на западе. В мире можно найти немало 
компаний, занимающихся внедрением и разработкой SCADA-систем. К трудностям освоения в РФ 
новой информационной технологии SCADA-систем относится как нехватка эксплуатационного 
опыта, так и отсутствие информации о различных SCADA-системах. 

---

 SCADA-системы - это уровень промышленного сервера и сетей автоматизированных рабочих мест 
оператора. SCADA-системы представляют собой специализированное программное обеспечение, 
ориентированное на визуализацию технологических процессов и коммуникацию с внешним 
миром. Данные системы построены по модульному принципу и предусматривают возможность 
поддержки распределенных или централизованных систем контроля и управления. Основа 
большинства SCADA-пакетов составляет несколько программных компонентов: база данных 
реального времени, пакет ввода-вывода, пакет предыстории, пакет аварийных ситуаций и 
администраторов (доступ, управления, сообщения). Автоматизированные рабочие места (АРМ) 
верхнего уровня АСУТП образует единый информационный-вычислительный комплекс. АРМы 
выделяются как полностью дублирующие (равноправные по получаемым данным и по функциям 
управления) друг друга рабочие места, так и как технологически-ориентированные рабочие места, 
адекватно учитывающие специфику работы персонала и технологию участка производства. На 
этом уровне осуществляется наблюдение за технологическим процессом. Технологический 
процесс на экране монитора представляется в виде мнемосхемы, при этом параметры 
технологического процесса могут отображаться в реальном времени или в реальном масштабе 
времени как в цифровом виде, так и посредством анимированных изображений, изменяющих 
свой цвет, размер, внешний вид, положение в зависимости от состояния соответствующего 
параметра. Помимо функции визуализации состояния технологического процесса система 
диспетчеризации обеспечивает регистрацию и архивацию значений технологических параметров, 
формирование, протоколирование и выдачу сигналов тревог (визуальных и звуковых), 
протоколирование действий персонала, расчет текущих технико-экономических показателей и 
формирование оптимальных регламентов работы оборудования, которые передаются для 
исполнения на уровень управления процессом. С целью обеспечения независимости 
программного обеспечения SCADA-систем от программных и аппаратных особенностей 
промышленной сети и контроллеров разработана спецификация под названием OPC (OLE for 
Process Control), позволяющая независимым разработчикам программного обеспечения и 
аппаратных средств создавать независимые между собой продукты. Связь SCADA-системы с 
нижним уровнем производится через стандартные OPC-сервера, поставляемые фирмами-
изготовителями контроллеров нижнего уровня. Хотелось бы подчеркнуть, что в названии 
присутствуют две основные функции, возлагаемые на SCADA: 

Сбор данных о контролируемом технологическом процессе 

Управление технологическим процессом, реализуемое ответственными лицами на основе 
собранных данных и правил, выполнение которых обеспечивает наибольшую 
эффективность и безопасность технологического процесса 
Основные возможности и средства, присущие всем система и различающиеся только 
техническими особенностями реализации: 
1. Автоматизированная разработка, дающая возможность создания ПО системной 
автоматизации без реального программирования 
2. Средство сбора первичной информации от устройств нижнего уровня 
3. Средство управления и регистрации сигналов об аварийных ситуациях 
4. Средство хранения информации, с возможностью ее пост-обработки 
5. Средство обработки первичной информации 
6. Средство визуализации информации в виде графиков, гистограмм и пр. 
7. Возможность работы прикладной системы с наборами параметров, рассматриваемое как 
единое целое 

---

SCADA-система обеспечивает выполнение следующих основных функций: 

Прием информации о контролируемых технологических процессах от контроллеров 
нижних уровней и датчиков 

Сохранение принятой информации в архивах 

Вторичная обработка принятой информации 

Графическое представление хода технологического процесса, а так же принятой и 
архивной информации в удобной для восприятия форме 

Прием команды оператора и передача их в адрес контроллеров нижних уровней и 
исполнительных механизмов 

Регистрация событий, связанных с контролируемым технологическим процессом и 
действиями персонала, ответственного за эксплуатацию и обслуживанию системы. 

Оповещение операционного и обслуживающего персонала об обнаруженных аварийных 
событиях, связанных с контролируемым технологическим процессом и 
функционированием программно-аппаратных АСУТП и с регистрацией действий 
персонала в автоматизированной системе 

Обмен информацией с АСУ предприятия 

Непосредственное автоматизированное управление технологическим процессом в 
соответствии с заданными алгоритмами 
Если попытаться коротко охарактеризовать основные функции, то можно сказать, что SCADA-
система собирает информацию о технологическом процессе, обеспечивает интерфейс с 
оператором, сохраняет историю процесса и осуществляет автоматизированное управление 
процессом в том объеме, в котором это необходимо. 
Перечисленные возможности SCADA-системы в значительной мере определяют стоимость и сроки 
создания изделия, а также сроки ее окупаемости. 
Структура SCADA-систем: 
Система реального времени – такая система, в которой данные появляются через равные 
промежутки времени. Ядро реального времени обязательно ведет архивы. 
К ядру реального времени должна обязательно прилагаться графическая оболочка. Графическая 
оболочка нужна для: 
1. Ведение баз данных списка сигналов и расчетных параметров 
Ядро 
реального 
времени
Система 
конструирования 
мнемосхем
Встроенные языки 
технологического 
программирования
Графическая 
оболочка
Расчет 
ТЭП

---

2. Представления информации по опросу и представление УСО архивом 
3. Организация отображения мнемосхем, подготовленных при помощи системы 
конструирования и поддержки интерфейса 
Мнемосхема
Статическая 
мнемосхема: 
схема объекта
Динамическая 
мнемосхема: 
индикация, пульты

Языки технологического программирования 

Классические языки 

Языки высокого уровня 
Структурная схема АСУТП: 
Контроллер
Объект 
управления
Датчики
Исполнительный 
механизм
Дискретный 
вход
Дискретный 
выход
Аналоговый 
вход
Аналоговый 
выход
RS-485/
USB
PC
Сервер
RJ-45
RJ-45
УСО имеет 4 вида: 

Аналоговый вход (AIN) - состоит из АЦП и 4-32 каналов. Присутствует 
гальваническая развязка - октопара для увеличения ремонтопригодности 
(выгорает только один провод при скачке напряжения, например). 

Аналоговый выход (AOUT) - состоит из ЦАП и 1-8 каналов. 

Дискретный вход (DIN) - состоит из 8-64 каналов (максимум 256). Запитка может 
быть двух типов: внешняя (сухой контакт) и внутренняя (мокрый контакт). 

---


Дискретный выход (DOUT) - состоит из 8-128 каналов, выходит на низкоточную 
нагрузку до 24В. 
В АСУТП используется 3 основных способа передачи данных: 

Токовая петля, информацию несет ток, протяженность порядка 10 км, 
максимальная скорость работы около 9600 Бод. 

RS-485, протяженность до 1км, 96000-115200 Бод. 

CANBUS, протяженность не более метра, скорость до 1МБод 
Контроллером является микропроцессор.