ЦЕЛИ И НАЗНАЧЕНИЕ СИСТЕМЫ И ПОДСИСТЕМ

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Санкт-Петербургский государственный университет
аэрокосмического приборостроения»

РАБОТА
ЗАЩИЩЕНА С ОЦЕНКОЙ

ПРЕПОДАВАТЕЛЬ

РАБОТУ ВЫПОЛНИЛ

Санкт-Петербург
2012

ЗАДАНИЕ

Провести системный анализ объекта. Рассмотреть внутренние и внешние возмущения, входные и выходные потоки. Проанализировать системные свойства объекта.

СИСТЕМА В ЦЕЛОМ, ПОЛНАЯ СИСТЕМА И ПОДСИСТЕМЫ, СТРУКТУРНАЯ СХЕМА

В качестве объекта для исследования был выбран программируемый логический контроллер(ПЛК) — это устройство, используемое для автоматизации технологических процессов.

Система — совокупность элементов, которые сами могут являться подсистемами. Система сама может являться частью более крупной системы.

Основные внешние системы, имеющие отношение к ПЛК:

S1 — система оператора. Определяет режимы финкционирования из множества заданых программой.

S2 — система задач. Определяет необходимые для решения задачи из множества возможных.

S3 — система разработчика(программиста). Определяет множество режимов функционированя, технические ограничения, программу функционирования ПЛК.

S4 — система электропитания. Эта система определяет технические ограничения, связанные с существующими в месте эксплуатации сетями переменного или постоянного тока.

S5 — технологическая система в которую встроен конкретный ПЛК. Определяет требования к выполняемым функциям, к характеристикам входных и выходных сигналов.

S6 — система окружающей среды(климатические факторы). Данная система определяет ограничения в части защиты от внешних факторов, таких как температура, влага, пыль и т.д.

S7 — система обеспечения и обслуживания. Накладывает технические ограничения и ограничения по обслуживанию и ремонту (наличие ремонтных мастерских, гарантийного обслуживания, возможность замены отдельных элементов и ремонтопригодность).

К окружающей среде могут дополнительно относиться системы образования, производителя, ситемы распространения и продажи и т.д.

Основные внутренние системы ПЛК:

PS1 — центральный процессор, система, отвечающая за обработку информации.

PS2 — оперативная память, система, отвечающая за хранение результатов вычислений, данных и переменных.

PS3 — постоянная память, система, отвечающая за хранение служебной информации и программы.

PS4 — порты ввода-вывода, система, отвечающая за вывод и ввод цифровых(или аналоговых) сигналов в ПЛК.

PS5 — блок питания, система, отвечающая за преобразование напряжения питающей сети в напряжения, необходимые для питания других внутренних систем.

PS6 — модуль часов реального времени, система, отвечающая за контроль времени в процессе работы ПЛК.

PS7 — модули интерфейсов обмена с другими ПЛК или компьютерами.

В зависимости от решаемых задач, в ПЛК могут встраиваться и другие системы, например контроллеры оборудования или системы беспроводной синхронизации.

СВОЙСТВА СИСТЕМЫ

С точки зрения системного анализа ПЛК представляет из себя систему, так как обладает следующими свойствами:

1) Разнообразие — ПЛК состоит из множества различных элементов, таких как процессор, оперативная и постоянная память, блок питания и др., несущих различные функции.

2) Целостность — при исключении одного из компонентов ПЛК потеряет свои свойства, так как не сможет нормально функционировать. Например при исключении блока питания не будет питающего напряжения, при исключении памяти негде будет хранить данные и инструкции.

· Между элементами существуют связи — например механическая связь всех элементов, расположенных в одном корпусе ПЛК и информационная связь.

· Связность - через шины передаются данные между процессором и портами ввода-вывода, процессором и памятью.

3) Эмерджентность — только в полном составе ПЛК приобретает свойства, позволяющие ему управлять технологическими процессами. Элементы в его составе по отдельности этого делать не могут.

4) Целенаправленность — ПЛК разрабатывается и программируется для решения определённой задачи. При смене программного обеспечения может переводится в другое состояние, для выполнения других задач и следования другой цели.

5)Устойчивость — ПЛК сохраняет свои свойства при изменении параметров окружающей среды (но в рамках допустимых значений).

ТИП СИСТЕМЫ

ПЛК как систему можно классифицировать следующим образом:

1) По характеру взаимодействия с окружающей средой, ПЛК представляет собой открытую систему, так как непрерывно получает и анализирует данные о состоянии управляемого оборудования и выводит команды управления.

2) По причинной обусловленности это детерменированная система, так как все действия ПЛК определены сохранённой в нём программой, он действует по строго определённому алгоритму.

3) По степени подчинённости это иерархическая система, так как в связи элементов внутри ПЛК есть чёткие уровни — главенствующую роль занимает центральный процессор, в зависимости от решаемой задачи он обращается к памяти, портам ввода-вывода и прочим периферийным модулям, которые, в свою очередь, могут задействовать свои подмодули. К тому же, каждый элемент ситемы состоит из более метких элементов, например процессор состоит из ядра, которое состоит из логических блоков, которые состоят из транзисторов и т.д.

4) По отношению ко времени это динамическая система, так как с течением времени управляющая программа ПЛК может менять выполняемые функции.

5) По степени сложности это простая система, так как для управления этой системой достаточно информации и она не является вероятностной. Из-за относительно небольшого числа элементов, ПЛК нельзя отнести к большим системам. Хотя, в круг решаемых ПЛК задач могут входить задачи, требующие применения вероятностного анализа.

6)Это техническая система, по преобразовательным возможностям относится ко второму типу (изменяются отдельные характеристики входного элемента).

АНАЛИЗ ТОПОЛОГИИ

Система может быть представлена в виде пар элементов, связанных отношением R: сходство, подобие, различие:

S = {(x, y); x є X; y є Y; x R y}

Любой элемент этого множества называется симплексом. Симплексы объединяются в комплексы. Задача изучения связности комплекса сводится к построению классов эквивалентности. Для ПЛК можно записать следующие условия:

X — комбинации сигналов на входе ПЛК:

X = (комбинация 1, комбинация 2, … , комбинация N);

Y — состояние выходов ПЛК:

Y = (состояние 1, состояние 2, … , состояние M);

S = {(x₁, y₁), (x₂, y₂), …}

Тогда можно построить матрицу инциденции:

Где r_ij = (0, 1) — связь входного воздействия x_i с выходным y_j.

Например, ПЛК предназначен для включения и выключения станка по кнопке с пульта управления.

Тогда входные сигналы для ПЛК:

Вход 1: кнопка «Включить станок»;

Вход 2: кнопка «Выключить станок»;

Вход 3: сигнал от станка о состоянии, включен или выключен(0 — выключен, 1 — включен).

Выходы ПЛК:

Выход 1: сигнал на включение станка;

Выход 2: сигнал на выключение станка.

Возможные входные комбинации сигналов:

x₁ = 000 (станок выключен, кнопки не нажаты)

x₂ = 001 (станок выключен, нажата кнопка «Включить станок»)

x₃ = 010 (станок выключен, нажата кнопка «Выключить станок»)

x₄ = 011 (станок выключен, нажаты обе кнопки)

x₅ = 100 (станок включен, кнопки не нажаты)

x₆ = 101 (станок включен, нажата кнопка «Включить станок»)

x₇ = 110 (станок включен, нажата кнопка «Выключить станок»)

x₈ = 111 (станок включен, нажаты обе кнопки)

Выходные комбинации:

y₁ = 00 (ничего не делать)

y₂ = 01 (выдать сигнал включения)

y₃ = 10 (вызать сигнал выключения)

y₄ = 11 (запрещённая комбинация)

Матрица инциденции имеет вид:

По матрице инденции можно построить комплекс, имеющий один пятимерный симплекс y_1, пустой симплекс y₄ и два нольмерных симплекса y₂ и y₃:

Рисунок — Состав комплекса

К = (y₁(5), y₂, y₃, y₄(0))

Класс эквивалентности:

Ѳ = (5, 3)

Связность системы характеризуется максимальной размерностью dimK = 5.

Для анализа ПЛК как системы можно воспользоваться графоаналитическим методом. При этом можно отследить направление потока информации. При этом полученный граф можно разбить на четыре слоя, в зависимости от напрявления потока информации: в первом слое располагаются генерирующие узлы, в четвёртом — поглощающие.

Рисунок — Граф, представляющий структуру ПЛК

Рисунок — Упорядоченный граф, представляющий структуру ПЛК

ОКРУЖАЮЩАЯ СРЕДА

Внутренними возмущениями для ПЛК могут являться отказы составных частей, превышение допустимого объёма памяти в результате работы, перегрев процессора. Внешними — температурные условия помещения, влажность, напряжение питающей сети, механические воздействия в виде вибрации, ударов. Отказы управляемого оборудования могут вызывать не предусмотренные входные сигналы, на которые программа ПЛК должна правильно отреагировать.

ПЛК является частью большей технологической системы, управляется ею и, в свою очередь, управляет нижестоящими системами.

Рисунок 2 — схема взаимодействия ПЛК с окружающей средой

ЦЕЛИ И НАЗНАЧЕНИЕ СИСТЕМЫ И ПОДСИСТЕМ

Цель системы ПЛК — автоматизация технологических операций.

ПЛК предназначен для управления технологическим оборудованием посредством электрических сигналов.

Предназначение подсистем:

Центральный процессор предназначен для обработки информации.

Оперативная память предназначена для хранения результатов вычислений, данных и переменных.

Постоянная память предназначена для хранения служебной информации и программы.

Порты ввода-вывода предназначены для вывода и ввода цифровых(или аналоговых) сигналов.

Блок питания предназначен для преобразования напряжения питающей сети в напряжения, необходимые для питания других внутренних систем.

Модуль часов реального времени предназначен для контроля времени в процессе работы ПЛК.

Модули интерфейсов предназначены для обмена с другими ПЛК, датчиками или компьютерами.

ВХОДЫ, РЕСУРСЫ И ЗАТРАТЫ

На вход поступают электрические сигналы, несущие информацию о контроллируемых объектах (оборудовании), сигналы, поступающие с пульта управления и с других ПЛК.

Ресурсами является время обработки данных, память, математические ресурсы процессора, а также электроэнергия.

Затраты — количественная оценка расхода ресурсов: время отклика на внешнее возмущение (в секундах или миллисекундах), количество математических операций, требуемое для принятия решения, объём затрачиваемой памяти (в Мб), время, затраченное на написание программы, программирование ПЛК (в человеко-часах), техническое обслуживание (расход усилий в ккал), электроэнергия (в кВт·ч), расход денежных средств в (у.е.).