Archives

Термин «распределённая система управления» (distributed control system, DCS) был переведён с учётом названий продукции иностранных компаний. Поскольку производителей продукции многочисленны, а конструкции систем различаются, функции и особенности каждого продукта уникальны, поэтому названия продуктов также имеют свои особенности. В Китае при переводе используются различные термины: наиболее распространённые — распределённая система управления (distributed control system, DCS), общая распределённая система управления (total distributed control system, TDCS), распределённая компьютерная система управления (distributed computer control system, DCCS). [6]

Различия в названиях связаны лишь с намерением и переводом, а по сути система остаётся одинаковой, её внутреннее содержание совпадает. В китайской электроэнергетической отрасли чаще всего используется термин «распределённая система управления». [6]

Описание системы
DCS обычно имеет иерархическую структуру, где каждый уровень состоит из нескольких подсистем, каждая из которых выполняет определённые конкретные задачи, формируя пирамидальную структуру. Надёжность является жизненной силой развития DCS. Для обеспечения высокой надёжности применяются три основных подхода: широкое использование высоконадёжного аппаратного обеспечения и технологий производства; активное применение технологий избыточности; широкое внедрение в программном обеспечении технологий отказоустойчивости, самодиагностики неисправностей и автоматического обработки. Сегодня большинство распределённых систем управления имеют среднее время безотказной работы (MTBF), достигающее десятков тысяч или даже сотен тысяч часов.

Распределённая система управления представляет собой систему, в которой физические и логические ресурсы (множество компьютеров или процессорных модулей, множественные источники данных, множественные источники команд и программ) размещены в распределённом виде, соединены между собой с помощью сети связи или коммуникационной сети. Система обладает высокой степенью автономности локальных ресурсов, способностью к взаимному согласованию ресурсов и комплексной координации и управления ресурсами, что позволяет осуществлять динамическое управление и распределение распределённых ресурсов, параллельный запуск распределённых программ, а также функциональное распределение в компьютерных сетях управления. Значение термина «распределённая система управления» заключается в слове «распределённый», которое охватывает несколько аспектов. [6]

Конфигурация распределена
Географическое расположение управляемых устройств разбросано, соответствующие им системные управляющие устройства также размещаются распределённо. Множество распределённых управляющих модулей на основе микропроцессоров выполняют различные управляющие задачи. [6]

Функциональное распределение
Функции распределённой системы управления не сосредоточены в центральной системе управления, а распределены по всему числу распределённых управляющих модулей. Кроме того, такие функции, как сбор данных, управление процессами, отображение работы, мониторинг операций, автоподстройка параметров, также распределены и относительно независимы. [6]

Отображение распределено
Функции отображения в распределённой системе управления могут быть реализованы не только в центральной операторской станции, но и распределены на местных операторских станциях. Центральная операторская станция обладает возможностью отображать всю информацию о любом точке распределённого процесса всей системы, а также может отображать информацию на различных терминалах. Местные операторские станции не только могут постоянно отображать информацию на местных управляющих модулях, но и могут вызывать информацию с других местных операторских станций или центральной операторской станции для распределённого отображения. [6]

База данных распределена
В современных распределённых системах управления часто используются распределённые базы данных. На местных управляющих модулях и станциях имеются локальные базы данных, которые доступны для всей системы. [6]

Связь распределена
В распределённых системах управления применяется технология локальной сети связи, при которой все процессы в сети обладают равным правом управления и связи, что позволяет осуществлять распределённую связь. [6]

Питание распределено
Распределённая система управления обеспечивает независимые системы электропитания для различных управляющих модулей, что делает питание системы более распределённым и повышает её надёжность. [6]

Нагрузка распределенаВ системах распределённого управления общие задачи рационально распределяются между различными управляющими модулями, при этом один управляющий модуль выполняет управление несколькими локальными контурами или подсистемами. Таким образом, нагрузка на всю систему распределена, а нагрузка на каждый управляющий модуль практически равномерна. [6]
Распределение опасности
Реализация «распределения» означает, что опасность всей системы распределяется.

Выключатель — это коммутационное устройство, способное замыкать, выдерживать и разрывать ток в нормальных условиях цепи, а также автоматически отключать ток при аварийных условиях в заданный срок времени. Выключатели делятся на высоковольтные и низковольтные в зависимости от области применения, хотя граница между ними неочевидна: обычно выше 3 кВ называют высоковольтными. Выключатели могут использоваться для распределения электроэнергии, редкого запуска асинхронных электродвигателей, защиты электрических линий и двигателей. При возникновении серьёзных перегрузок, коротких замыканий или понижения напряжения они автоматически отключают цепь, выполняя функции, аналогичные комбинированному устройству из предохранительного выключателя и реле перегрева или понижения напряжения. Кроме того, после отключения аварийного тока, как правило, нет необходимости в замене компонентов, поэтому такие устройства получили широкое распространение.

В процессе генерации, передачи и использования электроэнергии распределение энергии является крайне важным этапом. Система распределения включает трансформаторы и различные высоковольтные и низковольтные электроприборы, причём низковольтные выключатели являются наиболее широко применяемыми.

Принцип работы
Представляет собой систему с контактами, дугогасящей системой, операционным механизмом, выключателем и корпусом.

При коротком замыкании большой ток (обычно в 10–12 раз) создаётся магнитное поле, преодолевающее противодействие пружины, что заставляет выключатель действовать, мгновенно разъединяя цепь. При перегрузке ток увеличивается, повышая теплообразование, и биметаллическая пластина деформируется до определённой степени, толкая механизм. Чем выше ток, тем короче время действия.

Существуют электронные модели, в которых трансформаторы используются для сбора токов по фазам, которые сравниваются с заданным значением. При отклонении от нормы микропроцессор подаёт сигнал, и электронный выключатель активирует механизм.

Функции выключателя заключаются в отключении и замыкании нагрузочных цепей, а также отключении аварийных цепей, предотвращении усугубления аварий и обеспечении безопасной эксплуатации. Выключатели высокого напряжения должны отключать дугу при напряжении 1500 В и токе 1500–2000 А; даже при длине дуги до 2 м дуга продолжает гореть. Поэтому дугогашение является обязательной задачей для высоковольтных выключателей.

Принцип дугогашения основывается главным образом на охлаждении дуги для ослабления термического разряда, а также на продувке дуги для увеличения длины дуги, усиления рекомбинации и рассеивания заряда частиц, одновременно выбрасывая заряженные частицы из зазора и быстро восстанавливая изоляционную прочность диэлектрика.

Низковольтный выключатель, также известный как автоматический воздушный выключатель, может использоваться для замыкания и размыкания нагрузочных цепей, а также для управления редко запускаемыми электродвигателями. Его функции эквивалентны совокупности функций обычного выключателя, реле перегрузки, реле понижения напряжения, теплового реле, устройства защиты от утечки тока и других устройств, являясь важным защитным элементом в низковольтных распределительных сетях.

Низковольтные выключатели обладают множеством защитных функций (перегрузка, короткий замыкание, защита от понижения напряжения и т.д.), регулируемым значением срабатывания, высокой отключающей способностью, удобством в эксплуатации и безопасностью, поэтому широко применяются.

Конструкция и принцип работы низковольтного выключателя включают механизм, контакты, защитные устройства (различные типы выключателей), дугогасящую систему и другие компоненты.

Основные контакты низковольтного выключателя замыкаются вручную или электрически при срабатывании. После замыкания основные контакты фиксируются свободным выключателем в положении замкнутого. Обмотка реле перегрузки и термическое исполнительное устройство подключены последовательно с основной цепью, а обмотка реле понижения напряжения и источник питания подключены параллельно. При возникновении короткого замыкания или сильной перегрузки в цепи обмотка реле перегрузки притягивает сердечник, заставляя свободный выключатель действовать, разъединяя основные контакты от основной цепи. При понижении напряжения в цепи обмотка реле понижения напряжения размагничивается. Также свободный выключатель действует.

Реле с расцеплением используется для дистанционного управления: в нормальном режиме обмотка не питается, а при необходимости дистанционного управления нажатием кнопки запуска обмотка питается.Диапазон установки тока срабатывания защиты от перегрузки (Ir или Irth) и защиты от короткого замыкания (Im); номинальный ток размыкания при коротком замыкании (Icu для промышленных выключателей; Icn для бытовых выключателей).

Номинальное рабочее напряжение (Ue): это напряжение, при котором выключатель работает в нормальных (непрерывных) условиях.

Номинальный ток (In): это максимальный ток, который выключатель может бесконечно выдерживать при заданной температуре окружающей среды, указанной производителем, без превышения температурного предела узлов, рассчитанных на ток.

Ток срабатывания реле короткого замыкания (Im): ток срабатывания реле короткого замыкания (мгновенного или с коротким запаздыванием), используемый для быстрого отключения выключателя при возникновении высоких значений тока аварии, является предельным током отключения Im.

Номинальная способность к отключению при коротком замыкании (Icu или Icn): номинальный ток размыкания при коротком замыкании — это максимальный (ожидаемый) ток, который выключатель может отключить без повреждений. В стандарте указывается действующее значение среднего квадратичного значения составляющей переменного тока аварии. При расчете стандартного значения постоянная переходная составляющая (всегда присутствующая при коротком замыкании в худшем случае) принимается равной нулю. Номинальные значения промышленных выключателей (Icu) и бытовых выключателей (Icn) обычно выражаются в виде действующего значения в киловольт-амперах (kA).

Способность к отключению при коротком замыкании (Ics): номинальная способность выключателя к отключению подразделяется на номинальную предельную способность к отключению при коротком замыкании и номинальную способность к отключению при эксплуатации. Согласно национальному стандарту «Низковольтное оборудование и устройства управления: низковольтные выключатели» (GB14048.2—94), номинальная предельная способность к отключению при коротком замыкании и номинальная способность к отключению при эксплуатации определяются следующим образом:

1. Номинальная предельная способность к отключению при коротком замыкании: способность выключателя к отключению при заданных условиях испытаний, не включая способность выключателя продолжать выдерживать номинальный ток.

2. Номинальная способность к отключению при эксплуатации: способность выключателя к отключению при заданных условиях испытаний, включая способность выключателя продолжать выдерживать номинальный ток.

3. Процедура испытания предельной способности к отключению при коротком замыкании:
O — t — CO.
Конкретное испытание проводится следующим образом: ток в цепи регулируется до ожидаемого значения тока короткого замыкания (например, 380 В, 50 кА), при этом кнопка испытаний не включена, а выключатель находится в закрытом положении. После нажатия кнопки испытаний выключатель проходит через ток короткого замыкания 50 кА и мгновенно разрывается (открытие, обозначается как O). Выключатель должен быть исправен и иметь возможность повторного включения (закрытие, обозначается как C). Время t представляет собой промежуточное время, обычно составляет 3 минуты, после чего цепь остается в теплом режиме, и выключатель снова включается (закрытие, обозначается как C) и последующим образом разрывается (открытие, обозначается как O). (Испытание включения проверяет электрическую и тепловую стабильность выключателя при пиковых токах.) Эта процедура называется CO. Если выключатель может полностью отключиться, его предельная способность к отключению при коротком замыкании считается соответствующей требованиям.

4. Процедура испытания номинальной способности к отключению при эксплуатации (Icn) — O — t — CO — t — CO. По сравнению с процедурой Icn добавляется этап CO. После испытания, если выключатель может полностью отключаться и гасить дугу, его номинальная способность к отключению при эксплуатации считается соответствующей требованиям.

Таким образом, видно, что номинальная предельная способность к отключению при коротком замыкании Icn означает, что низковольтный выключатель может нормально работать после отключения максимального трехфазного тока короткого замыкания на выходе выключателя и еще раз отключить этот ток. Что касается возможности дальнейшего нормального включения и отключения, выключатель не гарантирует.

Номинальная способность к отключению при коротком замыкании Ics означает, что выключатель может несколько раз нормально отключать ток короткого замыкания на выходе при возникновении максимального трехфазного тока короткого замыкания.

Стандарт IEC947—2 «Низковольтное оборудование и устройства управления: низковольтные выключатели» предусматривает, что Ics для выключателей класса A (только с защитой от перегрузки с длительным запаздыванием и защитой от короткого замыкания с мгновенным срабатыванием) может быть равен 25 %, 50 %, 75 % и 100 %.Ics для выключателей класса B (выключателей с защитой от перегрузки с длительным запуском, короткого замыкания с коротким запуском и короткого замыкания с мгновенным отключением) может составлять 50%, 75% или 100% от Icu. Таким образом, можно сделать вывод, что номинальная способность к отключению при коротком замыкании представляет собой значение тока отключения, меньшее по сравнению с номинальным предельным током отключения. [1]

Как правило, выключатели с функциями защиты от перегрузки с длительным запуском, короткого замыкания с коротким запуском и короткого замыкания с мгновенным отключением обеспечивают выборочную защиту и используются в качестве основных защитных устройств на большинстве главных линий (включая выходные концы трансформаторов). Выключатели без функции короткого замыкания с коротким запуском (только с защитой от перегрузки с длительным запуском и короткого замыкания с мгновенным отключением) не могут обеспечить выборочную защиту и применяются исключительно на ответвлениях.

Согласно стандарту IEC92 «Электрооборудование судов»: выключатели с защитой трёх ступеней больше ориентированы на их номинальную способность к отключению при коротком замыкании, тогда как выключатели, используемые на ответвлениях, должны обеспечивать достаточную предельную способность к отключению при коротком замыкании.

Независимо от типа выключателя, все они обладают двумя важными техническими параметрами — Icu и Ics. Однако для выключателей, используемых на ответвлениях, достаточно удовлетворительной номинальной предельной способности к отключению при коротком замыкании. Распространённое заблуждение заключается в стремлении к максимальному значению, считая, что чем больше, тем лучше, и что большие значения обеспечивают надёжность. Однако чрезмерно высокие значения приводят к ненужной потере мощности (например, H-тип — высокопрерывной тип стоит в 1,3–1,8 раз дороже S-типа — обычного). Поэтому на ответвлениях нет необходимости строго следовать показателю номинальной способности к отключению при коротком замыкании.

Для выключателей, используемых на главных линиях, необходимо не только соответствовать требованиям номинальной предельной способности к отключению при коротком замыкании, но и номинальной способности к отключению при коротком замыкании. Если оценка качества отключающей способности основывается исключительно на номинальной предельной способности Icu, это создаёт угрозу безопасности для пользователя.

Выключатель — это базовое устройство низковольтной электротехники, которое обладает функциями защиты от перегрузки, короткого замыкания и пониженного напряжения, а также способностью защищать линии и источники питания.

Основными техническими параметрами являются номинальное напряжение и номинальный ток. В зависимости от области применения выключатели различаются по функциональности, выпускаются в различных модификациях и размерах, и имеют множество конкретных технических характеристик.

Свободное расцепление выключателя: если в процессе замыкания выключателя в любой момент времени происходит срабатывание защиты, замыкаясь цепь отключения, выключатель полностью и надёжно разъединится. Это называется свободным расцеплением. Выключатели с функцией свободного расцепления позволяют быстро отключаться при коротком замыкании, предотвращая распространение аварии.

Основные классификации:

По количеству полюсов: одно-, двух-, трёх- и четырёхполюсные;

По способу установки: вставные, фиксируемые и шкафные.

Описание продукта A9/EC65 малогабаритный выключатель: защита от короткого замыкания и перегрузки в осветительных цепях.

A9LE/EPNLE выключатель с защитой от утечки тока: защита от короткого замыкания, перегрузки и утечки тока в заземлённых системах. При нормальной эксплуатации и аварийном отключении выключатель находится в разомкнутом состоянии, и обе фазы и нейтральная линия остаются разомкнутыми, что исключает подачу тока при неисправности нейтральной линии. При операциях включения и отключения приоритет отдается включению нейтральной линии, а отключение происходит позднее. Устройство обладает функцией ограничения тока короткого замыкания, высокой номинальной способностью к отключению при коротком замыкании. Оснащено устройствами защиты от перегрузки, короткого замыкания, утечки тока и пониженного напряжения, имеет полный комплект защитных функций, простое и надёжное подключение.

Выключатель с защитой от утечки тока: автоматический выключатель с задержкой при перегрузке и пониженном напряжении — новое поколение продукции, разработанное по запросам рынка. Данный выключатель имеет продуманную конструкцию и собран из импортных и известных отечественных компонентов. Продукт может быстро и надёжно переключать питание при возникновении ударного воздействия высокого напряжения и пониженного напряжения, обеспечивая защиту бытовых электроприборов. Когда напряжение возвращается к нормальным значениям, после задержки автоматически включается цепь, восстанавливая подачу питания, что эффективно предотвращает распространение аварии.

Все функции работают автоматически, не требуют участия специалиста в управлении, оснащены двусторонними светодиодными индикаторами, безопасны и быстры.EC100 малогабаритный автоматический выключатель: промышленная система распределения электроэнергии, защита от короткого замыкания и перегрузки. Номинальный ток 63 А–125 А, высокая номинальная способность к отключению при коротком замыкании, наличие конструкции ограничения тока при коротком замыкании. Полнофункциональная защита, включает устройства защиты от перегрузки и короткого замыкания, безопасное и надежное подключение по схеме «корпус», простое расширение функций, безопасность и надежность. Может быть оснащен различными дополнительными устройствами: выключателем для защиты от утечки тока, вспомогательными контактами, сигнальным контактом, разъединителем с размагничиванием, выключателем при пониженном напряжении, шиной сбора.

EPD пробковый выключатель: пробковый выключатель с возможностью извлечения работает по тому же принципу и следует тем же критериям выбора, что и фиксированный пробковый выключатель. Защищает от перенапряжений, вызванных косвенными или прямыми воздействиями молний, а также другими мгновенными перенапряжениями.

EIC1 пускатели переменного тока: в основном предназначены для работы на переменном токе частотой 50 Гц или 60 Гц, номинальным напряжением до 660 В и ниже, используются для дистанционного включения и отключения цепей, могут комбинироваться с термореле или электронными защитными устройствами соответствующих параметров в виде электромагнитных или комбинированных электродвигательных стартеров.

ENS пластиковый выключатель: пластиковый выключатель с корпусом — это один из новых типов выключателей, разработанных с использованием передовых международных технологий. Используется в распределительных сетях с номинальным изоляционным напряжением 800 В, предназначен для распределения электроэнергии и защиты линий и источников питания от повреждений, вызванных перегрузкой, коротким замыканием, пониженным напряжением и другими неисправностями, а также может применяться для редкого включения двигателей и защиты от перегрузки, короткого замыкания и пониженного напряжения. Этот выключатель обладает компактными размерами, высокой отключающей способностью, коротким временем сворачивания дуги (или отсутствием дуги), является идеальным продуктом для пользователей. Выключатель может устанавливаться вертикально (стопроходной) или горизонтально (поперечный).

ENSLE пластиковый выключатель с защитой от утечки тока: используется для защиты людей от косвенного контакта, предотвращает возникновение пожароопасного тока при повреждении изоляции оборудования, а также обеспечивает защиту от перегрузки, короткого замыкания и пониженного напряжения в линиях и источниках питания, может применяться для редкого переключения линий и редкого включения двигателей.

EGL-125 разъединитель: разъединитель является наиболее распространённым видом высоковольтных выключателей и выполняет функцию разделения в цепи. Принцип работы и конструкция его самого относительно просты, однако из-за большого объёма использования требуется высокая надёжность работы, что оказывает значительное влияние на проектирование, строительство и безопасную эксплуатацию подстанций и электростанций. Основная особенность разъединителя — отсутствие способности гашить дугу, он может только разъединять и замыкать цепь при отсутствии тока нагрузки.

EGL-125-4000A предназначен для переключения двух низковольтных цепей или двух нагрузочных устройств, а также для безопасного разделения.

EATS3 двойной переключатель питания: обеспечивает надёжность электропитания за счёт двух источников питания, происходит надёжный переключатель между двумя источниками питания. Данный продукт имеет две функции переключения: автоматическое включение и автоматическое отключение, а также ручное включение и автоматическое отключение. Это ручной переключатель. Обладает новым дизайном, высокой безопасностью и надёжностью, высоким уровнем автоматизации, широким диапазоном применения.

EW45 универсальный интеллектуальный выключатель: в основном используется для распределения электроэнергии и защиты линий и источников питания от повреждений, вызванных перегрузкой, коротким замыканием, пониженным напряжением, однофазным заземлением и другими неисправностями. Выключатель обладает множеством интеллектуальных защитных функций, может выполнять выборочную защиту, точные действия, исключают ненужные отключения, повышают надёжность и безопасность электропитания.

[1]

Компоненты
Продолжение
Внутренние комплектующиеВспомогательные контакты: Контакты, механически соединённые с механизмом размыкания и замыкания основной цепи выключателя, предназначены в основном для отображения состояния размыкания и замыкания выключателя. Подключаются к управляющей цепи выключателя и используются для управления или блокировки соответствующих электрических устройств в зависимости от размыкания и замыкания выключателя. Например, передают сигналы на сигнальные лампы, реле и т.д.

Для пластиковых корпусных выключателей:
– Номинальный ток корпуса 100 А — однополюсные контакты;
– Номинальный ток корпуса 225 А и выше — мостовые контакты, допустимый нагревательный ток составляет 3 А;
– Номинальный ток корпуса 400 А и выше — возможны два постоянно разомкнутых и два постоянно замкнутых контакта, допустимый нагревательный ток составляет 6 А.
Количество операций соответствует общему количеству операций выключателя.

Сигнальные контакты: Используются для сигнализации о неисправностях выключателя. Эти контакты активируются только после срабатывания выключателя. Основное назначение — автоматическое срабатывание при перегрузке, коротком замыкании или пониженном напряжении нагрузки выключателя. Сигнальные контакты переходят из исходного положения «разомкнуто» в положение «замкнуто», замыкаясь в вспомогательной цепи индикаторов, динамиков, звуковых сигналов и т.д., что позволяет отобразить или предупредить о неисправности выключателя

PLC, или программируемый логический контроллер, представляет собой миниатюрный компьютер с микроконтроллерной встроенной системой. Эта система развивалась на основе релейного управления и в основном используется в области промышленной автоматизации. Язык программирования для PLC в основном является трапециевидной диаграммой (табличкой), которая проста и наглядна, однако методы программирования могут различаться в зависимости от производителя. Например, языки программирования для PLC компаний Siemens, Mitsubishi и Schneider имеют свои особенности.

Плата, также известная как печатная платная плата (PCB), — это электронная плата с определёнными функциями, на которой расположены электронные компоненты и соединительные провода. В процессе изготовления платы предусмотрены разъёмы, позволяющие вставлять её в специальные слоты основной платы компьютера, обеспечивая таким образом управление аппаратным обеспечением. Платы могут управлять различными устройствами, такими как мониторы, карты сбора данных и т. д. После установки соответствующих драйверов функциональность этих устройств полностью раскрывается.

Оба типа оборудования имеют явные различия по функциям и применению. PLC в основном используется в промышленной автоматизации, например, для управления производственными линиями, роботами и т. д., обладая мощными возможностями логического управления. Плата же чаще служит расширительным компонентом компьютерной системы, усиливая её функции, например, выводом информации, сбором данных и т. д. Каждое из них выполняет свою роль, но оба являются важнейшими элементами современной промышленности и информационных технологий.

Хотя PLC и платы существенно отличаются по функциям и применению, оба требуют аппаратной поддержки. Например, PLC осуществляет обмен данными с оборудованием на месте через входные и выходные модули, тогда как плата использует интерфейсы, предоставляемые основной платой компьютера, для связи с другими компонентами системы. Кроме того, конструкция PLC и платы соответствует разным стандартам и нормам, что обеспечивает их совместимость с другими устройствами и системами.

В целом, PLC и платы играют уникальную роль в промышленной автоматизации и компьютерных технологиях. PLC хорошо справляется с логическим управлением и обработкой данных, а плата больше ориентирована на предоставление конкретных аппаратных функций и расширение возможностей. Их совместное использование обеспечивает мощную поддержку развитию современной промышленной автоматизации и компьютерных технологий.

Полупроводник — это материал, электропроводность которого при комнатной температуре находится между проводниками и изоляторами. Электропроводность полупроводников может изменяться путем легирования, концентрация и полярность примесей, вводимых в основной полупроводник, существенно влияют на его электропроводные свойства. В полупроводниках с доминирующими примесями (донорными) основными носителями тока являются электроны из зон проводимости, а в полупроводниках с примесями-акцепторами (акцепторными) ток передаётся через дырки.

Открытие полупроводниковых материалов восходит к XIX веку. В 1833 году британский учёный Майкл Фарадей впервые обнаружил характерное для серебряного сульфидного полупроводника явление электропроводности, которое отличалось от обычных металлов: при повышении температуры сопротивление уменьшалось. В 1911 году термин «полупроводник» впервые был использован Конибелгом и Виссом. В начале XX века, несмотря на ограниченное понимание полупроводников, активно продолжались исследования их применения. В 1950-х годах, чтобы улучшить характеристики транзисторов и повысить их стабильность, быстро развивались технологии производства полупроводников. С 1980-х годов исследование материалов квантовых линий и полупроводниковых квантовых приборов стало горячей темой в области материаловедения, что вызвало волну интереса к нанотехнологиям на международном уровне. После 1990-х годов, с быстрым развитием связи, начали появляться полупроводниковые материалы второго поколения. В начале XXI века стали проявляться полупроводниковые материалы третьего поколения, такие как SiC, GaN, алмаз и другие.

К распространённым полупроводниковым материалам относятся кремний, германий, галлий arsenide и другие. По химическому составу полупроводники делятся на два основных типа: элементные и соединения. В зависимости от примесей, которые вводятся в материал, они могут быть N-типом или P-типом.

Свойства полупроводников включают оптические и транспортные свойства [21]. Полупроводники находят применение в интегральных схемах, потребительской электронике, системах связи, фотоэлектрических генераторах, освещении, преобразователях высокой мощности и других областях. Например, диод — это базовый прибор, изготовленный из полупроводника.[3] В 1879 году американский физик Холл открыл эффект Холла. Эффект Холла — это физическое явление, при котором на тонких пленках возникает поперечное электрическое напряжение, когда магнитное поле воздействует на носители заряда в проводнике или полупроводнике. [18]

Ранний период развития
В начале XX века физическая революция (теория относительности и квантовая механика) позволила понять свойства микромира (атомов и молекул), а затем эти новые теории успешно были применены в новых областях (включая полупроводники). Теория зоны запрещённых энергий заслужила прочную теоретическую основу для технологии полупроводников, а прогресс в технологиях выращивания материалов заложил материальную основу для полупроводниковой техники (полупроводниковые материалы требуют чистых матричных материалов и очень точного уровня легирования). [11] В 1906 году Дэн Уди изобрёл детектор из карбида кремния, что положило начало применению полупроводников в радиотехнике. Затем было обнаружено, что такие материалы, как кремний, сфалерит, медно-цинковый минерал, бисфалерит, могут использоваться в качестве детекторов. [20] Название «полупроводник» впервые было использовано Кони Байгом и Виссом в 1911 году. [3]

В начале XX века учёные провели обширные исследования полупроводниковых материалов. В то время образцы, используемые в исследованиях, в основном представляли собой сульфиды и оксиды, и были созданы выпрямители из оксида меди (Cu₂O), фотоэлементы из селена (Se) и другие устройства. Развитие теории квантовых систем в твёрдых телах позволило людям в этот период использовать полупроводниковые материалы, полученные непосредственно из природы или из промышленных стандартных продуктов, без специального очистки и кристаллизации. [20] В 1931 году Ленц и Бергман разработали солнечный фотоэлемент из селена. В 1932 году в Германии были успешно созданы полупроводниковые инфракрасные детекторы из сульфида свинца, селенида свинца и теллурида свинца, которые во время Второй мировой войны использовались для обнаружения самолётов и кораблей. Во время войны союзники также добились значительных успехов в исследованиях полупроводников: например, в Великобритании с помощью инфракрасных детекторов неоднократно обнаруживали немецкие самолёты. [19]

Дальнейшее развитие
В 1948 году Дж. Бардин, У.Х. Блатен и У.Б. Шао-Лей создали транзистор, что вызвало революцию в современной электронике и способствовало стремительному развитию исследований в области физики, материаловедения и устройств на основе полупроводников. В последующие десятилетия микроэлектроника полупроводников и фотонная электроника полупроводников стали важной технологической базой современного общества, вызвав информационную революцию по всему миру и оказав глубокое влияние на развитие человеческой цивилизации. [21]

В 1954 году была предложена теория эффективной массы полупроводников, что стало значительным достижением в теории полупроводников. Она количественно описывает тонкую структуру зон энергий вблизи границы между зонами проводимости и запрещёнными, даёт теоретические методы исследования уровней примесей (доноров и акцепторов), экситонных уровней, магнитных уровней и других в полупроводниках, способствуя развитию экспериментальных исследований, таких как кольцевая резонансная спектроскопия, магнитно-оптическая абсорбция, поглощение свободных носителей заряда, спектроскопия экситонов. [21] В 1958 году появились интегральные схемы. В 1959 году была предложена концепция псевдопотенциала, что значительно упростило расчёты зон энергий твёрдого тела. Используя свойство ортогональности между состояниями валентных электронов и ядерных состояниях атома, можно заменить реальный потенциал атома на псевдопотенциал, получив уравнение, удовлетворяемое состояниями валентных электронов в твёрдом теле. С помощью метода псевдопотенциала удалось получить достаточно точную структуру зон энергий практически всех полупроводников. В 1962 году был изобретён лазер на основе полупроводников. [21] В 1968 году были созданы MOS-устройства на основе полупроводников (металл-оксид-полупроводник) и осуществлена крупномасштабная промышленная производство интегральных схем. [21]1970 году появилась технология анализа поверхностной энергии с помощью сверхвысокого вакуума, что положило начало исследованиям физики поверхностей и границ раздела полупроводников, включая такие вопросы, как 7×7-поверхностная реконструкция на поверхности кремния, причины формирования Шоттки-барьеров на границах раздела между металлами и III-V-композитами, свойства границ раздела CoSi/кремний и металла/кремния, а также захват энергий Ферми. В начале 1970-х годов Рёко Кадзаки и Р. Чжу впервые предложили новую концепцию сверхрешётки полупроводников, основываясь на идеи о контроле распределения потенциала электронов и волновых функций в полупроводниках. Одновременно Чжо Ихэ из Белл-лабораторий США разработал технологию молекулярно-лучевой эпитаксии. Удачное сочетание новых идей и технологий привело к созданию первой сверхрешётки типа AlyGa1-xAs/GaAs с согласующимися решётками, что ознаменовало начало нового этапа искусственного проектирования в области полупроводниковых материалов. В 1978 году Р. Динджерл и его коллеги исследовали двумерный электронный газ в гетероструктурах, транспортирующийся параллельно границе раздела, и обнаружили явление усиления электронной подвижности. В последующие годы благодаря усовершенствованию технологий подвижность двумерного электронного газа увеличилась почти на три порядка, что привело к появлению транзисторов с высокой подвижностью электронов (HEMT) и создало условия для открытия эффекта квантового Холла.

В 1980 году немецкий учёный К. фон Кригинг обнаружил целочисленный эффект Холла, а в 1982 году Цуй Ци и другие исследователи в гетероструктуре AlGa1-y/GaAs с очень высокой подвижностью электронов обнаружили дробочный эффект Холла — важное открытие в физике полупроводников, каждое из которых получило Нобелевскую премию по физике. Благодаря ограничительному эффекту сверхрешёток и квантовых ям, в 1984 году Д.А.Б. Миллер и его коллеги наблюдали красное смещение энергии пиков поглощения экситонов в квантовых ямах при изменении интенсивности электрического поля, а также оптические нелинейные эффекты, вызванные изменениями коэффициента поглощения или показателя преломления, что послужило важной основой для разработки следующего поколения оптических бистабильных устройств.

В 1990 году британский учёный Л.Т. Канхэм впервые наблюдал видимый световой фотолюминесценс пористого кремния при комнатной температуре, открыв новый перспективный направление в технологии фотоэлектронной интеграции на основе кремния. Наночастицы, наносовок и наноплёночные материалы открыли новую область исследований материалов. Эти новые функциональные материалы, содержащие большое количество атомов на поверхности или в границах раздела, обладают уникальными физическими, химическими и механическими свойствами и считаются наиболее перспективными материалами XXI века.

В октябре 2019 года международная научная группа заявила, что по сравнению с традиционными методами измерения Холла, где получается всего три параметра, новая технология позволяет получить до семи параметров при каждом испытании интенсивности света, включая подвижность электронов и дырок, плотность зарядового носителя, время рекомбинации, а также длины диффузии электронов, дырок и биполярных типов. [4]

В 2022 году исследователи обнаружили, что кубический борид арсенида является одним из лучших полупроводников, известных в науке, и получил название «чемпион полупроводников». [12]

5 ноября 2024 года миниатюрные полупроводники достигли уровня «нано», размером всего в 10万分之一 диаметра волоска волоса. В том же месяце в списке «50 самых инновационных компаний Китая» по версии Forbes опубликовали список, в который вошли компании полупроводников: Shanghai Super Silicon, Hygoness, Hanbo Semiconductor, HiSilicon Huawei, Changxin Storage и Zhongwei. [15]

Связанные термины
ПродолжитьДва электрона в ковалентной связи называются связанными электронами. Обычно, при отсутствии внешнего возбуждения, в кристаллах кремния и германия не существует свободных электронов; свободные электроны могут образоваться только при внешнем возбуждении, когда небольшое количество электронов приобретает достаточную кинетическую энергию, чтобы освободиться от ковалентной связи и стать свободными электронами.

Пузырьки
После того как электрон освобождается от ковалентной связи и становится свободным электроном, в ковалентной связи остается пустота, называемая пузырьком. В обычных условиях атомы являются электрически нейтральными. Когда электрон освобождается от ковалентной связи и становится свободным электроном, электрическая нейтральность атома нарушается, и он приобретает положительный заряд. Под действием внешнего электрического поля атом с пузырьком может притягивать валентные электроны соседних атомов, заполняя этот пустоту. Одновременно в ковалентной связи соседнего атома, утратившего один валентный электрон, появляется другой пузырек, который также может быть восполнён валентными электронами соседних атомов, и в этом атоме снова образуется пустота. Таким образом, пузырек продолжает двигаться, подобно движению положительного заряда. Направление движения пузырка противоположно направлению движения валентного электрона, поэтому движение пузырка эквивалентно движению положительного заряда.

Переносчики заряда
Таким образом, при приложении внешнего напряжения к полупроводнику в нем возникают два типа тока: первый — электронный ток, создаваемый направленным движением свободных электронов; второй — ток пузырков, создаваемый восполнением пустот (пузырек) свободными электронами. В полупроводнике одновременно существуют электронная проводимость и проводимость пузырков, что является главной особенностью способа проводимости полупроводников и принципиальным отличием между полупроводниками и металлами.

Структура энергетических зон
Для твёрдых тел с периодическим расположением атомов, то есть для кристаллических тел, согласно теории энергетических зон, структура энергетических зон состоит из ряда зон, разделённых запрещённой зоной. В пределах запрещённой зоны нет уровней энергии, занятых электронами. При абсолютном нулевой температуре электроны в твёрдом теле занимают энергетические уровни в порядке возрастания энергии: основные электроны заполняют все низшие энергетические уровни, и основные электроны, находящиеся в заполненных зонах, тесно связаны с ядрами атомов. Поэтому в обычных экспериментальных условиях можно не учитывать вклад основных электронов в физические свойства кристалла. Зона выше основной зоны, где находятся валентные электроны, называется валентной зоной, а над валентной зоной располагаются ряды зон, не занятых электронами, — это зоны пустот. В зависимости от степени заполнения валентной зоны, твёрдое тело может быть металлом или диэлектриком. В структуре энергетических зон металла валентная зона является незаполненной, а уровень Ферми находится внутри этой незаполненной зоны. В структуре энергетических зон диэлектрика валентная зона полностью заполнена, а зона выше валентной зоны представляет собой зону пустот, и уровень Ферми находится в прямой передаче к вершине валентной зоны. [27]

PN-сквозное соединение
В полупроводнике из-за различий в легировании плотность электронов и пустот в двух типах полупроводников различна: в P-типе больше пустот, а меньше электронов, в N-типе больше электронов, а меньше пустот. Если соединить P-тип полупроводника с N-типом, происходит диффузия электронов из области N-типа в область P-типа и диффузия пустот из области P-типа в область N-типа, в результате чего в области границы возникает накопление положительных и отрицательных зарядов: в одной стороне области P-типа — отрицательный заряд, в другой стороне области N-типа — положительный заряд. Эти заряды формируют область пространственного заряда (электроно-протонный слой или слой истощения), структура которого называется PN-сквозным соединением. Толщина такого соединения обычно составляет порядка микрометра.

1. SVG-шкаф осуществляет динамическую компенсацию реактивной мощности за счёт управления включением и выключением внутренних электронных компонентов. Подробное объяснение принципа: основу SVG-шкафа составляют электронные устройства, такие как IGBT и т.д. Точным контролем времени включения и выключения этих устройств можно быстро и гибко регулировать величину и фазу выходного тока, тем самым обеспечивая или поглощая реактивную мощность в соответствии с потребностями системы, что позволяет достичь цели динамической компенсации.

2. SVG-шкаф на основе постоянного мониторинга параметров напряжения, тока и других показателей системы рассчитывает необходимую величину компенсируемой реактивной мощности.

Подробное объяснение принципа: в шкафу установлены датчики напряжения и тока, которые в реальном времени собирают сигналы напряжения и тока в системе. С помощью встроенных алгоритмов анализируются и обрабатываются эти сигналы, точно определяется текущий объём реактивной мощности, необходимой для компенсации, что служит основой для последующих операций компенсации.

3. SVG-шкаф использует технологию импульсной широтной модуляции (PWM), формируя компенсирующий ток, соответствующий требованиям системы.

Подробное объяснение принципа: технология PWM изменяет время включения электронных устройств путём регулирования ширины импульсов, создавая компенсирующий ток определённой амплитуды, частоты и фазы. Этот компенсирующий ток способен взаимно компенсировать реактивный ток в системе, эффективно улучшая коэффициент мощности.

4. Управляющая система SVG-шкафа на основе результатов расчёта корректирует выходное напряжение и фазу внутреннего инвертора.

Подробное объяснение принципа: после расчёта необходимой величины компенсируемой реактивной мощности система точно управляет внутренним инвертором. Изменяя выходное напряжение и фазу инвертора, она обеспечивает взаимодействие между выходным компенсирующим током и реактивным током в системе, достигая эффекта реактивной компенсации.

Распределённая система управления
Распределённая система управления (Distributed Control System, сокращённо DCS) — это автоматизированная система управления, основанная на микропроцессорах и разработанная с распределёнными функциями управления и централизованным отображением операций, также известная как распределённая система управления. Её основная структура включает уровни управления процессом и мониторинга процесса. Аппаратное обеспечение состоит из полевых управляющих станций, операторских станций и инженерных станций, а по иерархической структуре обеспечивается распределение рисков и централизованное управление.

Развитие распределённых систем управления прошло три ключевых этапа. До середины 1970-х годов была закладана основа для дальнейшего совершенствования и технологий распределённых компьютерных систем управления. С середины 1970-х до середины 1980-х годов появились первое и второе поколения DCS: первое поколение представлено такими моделями, как TDC-2000 и CENTUM, которые обеспечивали распределённые управляющие блоки и базовые функции мониторинга, но имели ограничения в области совместимости связи. Второе поколение было модернизировано посредством локальных сетей, продукция стандартизировалась и модулифицировалась, что значительно повысило надёжность и гибкость системы. С середины 1980-х годов, а также с 1990-х годов появилось третье поколение, а также новые тенденции развития. Третье поколение достигло прорыва в открытой связи и интеллектуальных функциях, четвёртое поколение строится вокруг концепции «информации и интеграции» и формирует четырёхуровневую систему. Последние тенденции объединяют искусственный интеллект и цифровые двойники, например, система iNICS реализует предупреждение о неисправностях и интеллектуальное обслуживание, способствуя развитию открытого экосистемы приложений.

Данная система широко применяется в таких областях, как электроэнергетика, металлургия, нефтехимия и других, с коэффициентом проникновения более 95%. К 2024 году объём рынка достиг 14,8 млрд юаней, уровень местного производства превысил 45%, а доля китайских компаний на рынке нефтехимии составила 40,4%. Ярким примером является платформа «Линлун-1» для ядерных реакторов, использующая платформу «Лунлинь» (уровень безопасности) и платформу «Лунфэн» (неуровень безопасности), которые отвечают за безопасный контроль и управление эксплуатацией реактора соответственно. 10 апреля 2024 года был установлен первый шкаф DCS, начались работы по установке и наладке. Меры технического обслуживания включают регулярную проверку, тестирование сопротивления заземления и испытания резервирования питания, что позволяет достичь уровня доступности системы близкого к 100%, среднее время безаварийной работы превышает 100 тыс. часов.
Введение в систему
Продвижение
Редактирование
Название системы

Термин «распределенная система управления» (distributed control system, DCS) является переводом названия продукта иностранных компаний. Поскольку производителей продукции многочисленны, а проектирование систем различается, функции и особенности каждого устройства уникальны, поэтому названия продуктов также имеют свои особенности. В Китае при переводе используются различные термины: распределенная система управления (distributed control system, DCS), общая распределенная система управления (total distributed control system, TDCS), распределенная компьютерная система управления (distributed computer control system, DCCS). [6] Различные названия отражают лишь разницу в намерении и переводе, но суть системы остается практически одинаковой, внутреннее значение едино. В китайской электроэнергетической отрасли наиболее распространено название «распределенная система управления». [6]

Описание системы

DCS обычно имеет иерархическую структуру, где каждый уровень состоит из нескольких подсистем, каждая из которых выполняет определенные конкретные задачи, формируя пирамидальную структуру. Надежность является жизненной силой развития DCS. Для обеспечения высокой надежности применяются три основных подхода: широкое использование высоконадежного аппаратного обеспечения и технологий производства; активное применение технологий избыточности; широкое внедрение в программном обеспечении технологий отказоустойчивости, самодиагностики неисправностей и автоматического обработки ошибок. Сегодня большинство распределенных систем управления имеют среднее время между отказами (MTBF), достигающее десятков тысяч или даже сотен тысяч часов.

Распределенная система управления представляет собой систему, в которой физические и логические ресурсы (множество компьютеров или процессоров, множественные источники данных, множественные источники команд и программ) распределены по разным местам, соединены между собой с помощью сети связи или коммуникационной сети. Система обладает высокой степенью автономности локальных ресурсов, способностью к взаимному координации ресурсов и комплексному управлению ими, что позволяет осуществлять динамическое управление и распределение распределенных ресурсов, параллельный запуск распределенных программ, а также функциональное распределение в компьютерных сетях управления. Значение термина «распределенная система управления» заключается в слове «распределенный», которое охватывает несколько аспектов. [6]

Конфигурация распределена

Географическое расположение управляющих устройств разбросано, соответствующие управляющие устройства системы также размещаются распределенно. Множество распределенных управляющих модулей на основе микропроцессоров выполняют различные управляющие задачи. [6]

Функциональное распределение

Функции распределенной системы управления не сосредоточены в центральной управляющей станции. Они распределены по всему числу распределенных управляющих модулей. Кроме того, такие функции, как сбор данных, управление процессами, отображение работы, мониторинг операций, автоподстройка параметров, также распределены и относительно независимы. [6]

Отображение распределено

Функции отображения в распределенной системе управления могут быть реализованы не только в центральной операторской станции, но и на локальных операторских станциях. Центральная операторская станция способна отображать всю информацию о любом точке распределенного процесса всей системы, а также может отображать информацию на различных терминалах. Локальные операторские станции не только могут постоянно отображать информацию с местных управляющих модулей, но и в третьей и четвертой генерации распределенных систем управления можно вызывать информацию с любой локальной операторской станции или центральной операторской станции для отображения информации на локальных станциях. [6]

База данных распределена

Современные распределенные системы управления часто используют распределенные базы данных. На местных управляющих модулях и управляющих станциях имеются собственные базы данных, которые доступны для всей системы. [6]

Связь распределена

В распределенных системах управления используется технология локальной сети связи. Все процессы в сети обладают равными правами на коммуникацию и управление, что позволяет осуществлять распределенную связь. [6]

Питание распределено

Распределенные системы управления обеспечивают независимые системы электропитания для различных управляющих модулей, что повышает надежность системы. [6]

Нагрузка распределенаВ системах распределённого управления задачи разумно распределяются между различными управляющими модулями, каждый из которых отвечает за управление несколькими локальными контурами или подсистемами. Рабочая нагрузка всей системы распределена, и нагрузка на каждый управляющий модуль практически равномерна. [6]

Распределение опасности
Реализация «распределения» означает, что опасность всей системы распределяется. [6]

Потенциал и причины возникновения
Продвижение

Редактировать

Требования-движущие силы
Современные крупные промышленные производственные процессы требуют сложного управления, что служит основной движущей силой их развития; [6]

Техническая база
На основе обобщения преимуществ традиционных аналоговых приборов управления и ранних компьютерных систем, с применением современных научно-технических достижений была создана новая система; [6]

Ключевые технологические прорывы
В начале 1970-х годов произошёл значительный прорыв в микроэлектронике: развитие больших интегральных схем, появление микрокомпьютеров и микропроцессоров обеспечили малогабаритные, высокопроизводительные, надёжные и недорогие полупроводниковые чипы и компьютерные системы, заложив прочную материальную основу; [6]

Сопутствующие технологические решения
Дальнейшее развитие технологий отображения на мониторах CRT и цифровых коммуникаций предоставило более полные условия для исследований; [6]

Теоретическое и проектирование руководство
Под руководством теории управления, теории информации, системного менеджмента и других дисциплин, с целью комплексной автоматизации, проводятся исследования и разработки, следуя принципам декомпозиции, автономности и координации. Появление систем распределённого управления является результатом технологии «4C», продуктом многодисциплинарного взаимодействия и комплексного развития, а также важным достижением Третьей промышленной революции (развитие компьютеров). [6]

Ход развития
Продвижение

Редактировать

С момента появления систем распределённого управления в середине 1970-х годов они прошли многоэтапное развитие, характерные особенности каждого этапа следующие:

Середина 1970-х годов (первое поколение)
Представительными продуктами являются TDC-2000 компании Honeywell (США), Spectrum системы компании Foxboro, Network-90 системы компании Bailey, Teleperm-M системы компании Siemens (Германия), 900/TX системы компании Hitachi (Япония), CENTUM системы компании Yokogawa и другие. Системы состояли в основном из пяти частей: устройства сбора данных, местные управляющие станции, операционные станции на мониторах CRT, высокоскоростные каналы передачи данных и контрольный компьютер. Продукты этого этапа сохраняли достоинства централизованных компьютерных систем управления, управляющие модули эффективно распределялись, операционные станции на мониторах CRT обладали богатым набором графических изображений, функциями полного оповещения, диагностики и управления всей системой, однако контрольный компьютер выполнял значительную часть административной работы и обработки информации, использовал 8-битные или 16-битные микропроцессоры, связи ограничивались примитивными локальными сетями промышленного управления, специальные протоколы связи ограничивали совместимость систем, некоторые системы не имели функции последовательного управления, технические возможности были ограниченными.

Система безопасных приборов, Safety Instrumented System (SIS), также известная как система безопасности с блокировкой (Safety interlocking System). Основное назначение — реализация сигналов тревоги, блокировки и управления в системах контроля на заводах. Она осуществляет действия по оповещению, регулировке или остановке оборудования на основе результатов контроля в системе управления, являясь важной составляющей автоматического управления на предприятиях.
Характеристики системы
Продвижение
Редактирование

(1) Основным стандартом является IEC61508, соответствующим требованиям Международной ассоциации безопасности по технике безопасности (ISA) к безопасности приборов.
(2) Обладает широкой охватываемостью, высокой степенью безопасности и функцией самодиагностики, способностью выявлять и предотвращать потенциальные опасности.
(3) Многократная избыточная система с возможностью аварийных отказов: SIS обычно использует многократную избыточную структуру для повышения запаса против аппаратных неисправностей; единичный отказ не приводит к потере функций безопасности SIS.
(4) Простота изменения приложений, возможность корректировки программного обеспечения в соответствии с практическими потребностями.
(5) Высокая степень охвата самодиагностики, минимальное количество контрольных точек, требуемых для проверки при обслуживании персоналом.
(6) Быстрое время отклика: от времени изменения входных сигналов до выходных — обычно около 10–50 мс, для некоторых небольших систем SIS время отклика может быть ещё меньше.
(7) Возможность проектирования безопасности всего контура — от датчиков до исполнительных элементов, включая функции мониторинга короткого замыкания, размыкания и т.д.

Основные компоненты
Продвижение
Редактирование

Система безопасных приборов включает датчики, логические операторы и конечные исполнительные устройства, то есть детекторы, управляющие блоки и исполнительные блоки. Система SIS может отслеживать возникающие или скрытые опасности в производственном процессе, подавать предупреждающие сигналы или напрямую выполнять заданные программы, немедленно переводя работу в режим предотвращения аварий, чтобы предотвратить их возникновение и минимизировать последствия.

Структура системы
Продвижение
Редактирование

Основные структурные решения для SIS включают TMR (тройную избыточность) и 2004D (четверную избыточность).

(1) Тройная избыточная структура (TMR): объединяет три изолированных параллельных цепей управления (каждая называется отдельной цепью) и широкий диапазон диагностики в одной системе, используя тройной голосовой метод «три братья — два победители» для обеспечения высокой надежности и безотказности управления. Такие системы, как TRICON, ICS, HollySys, используют структуру TMR.

(2) Структура 2004D: состоит из двух независимых параллельных систем. Контрольные модули отвечают за синхронное выполнение работы, и если в ходе самодиагностики обнаруживается неисправность одного модуля, ЦП принудительно его отключает, гарантируя корректность выходных сигналов. Кроме того, в модуле безопасных выходов предусмотрена функция SMOD (помехозащищённый метод удаления магнитного поля), которая обеспечивает передачу сигнала аварийной безопасности, даже если оба модуля системы или питание находятся в состоянии отказа. Одна выходная цепь фактически реализуется через четыре выходных цепи и функцию самодиагностики. Это обеспечивает высокую надёжность, безопасность и доступность системы. Системы SIS HONEYWELL и HIMA используют структуру 2004D.

Функции и требования
Продвижение
Редактирование

Основные функции и требования системы безопасных приборов:

1. Обеспечение нормальной работы производства и аварийной защиты (время сканирования ЦП системы управления должно достигать уровня миллисекунд).
2. Предупреждающие сигналы аварийной защиты (для большинства технологических параметров установлены определённые значения предупреждения и аварийных значений).
3. Отображение действий аварийной защиты и включения/выключения оборудования.

Дополнительные функции систем аварийной защиты:

1. Предварительная предупреждающая функция аварийной защиты.
2. Задержка аварийной защиты.
3. Различение первоочередных причин аварий.
4. Включение и переключение систем аварийной защиты.
5. Градация аварийной защиты.
6. Ручной экстренный останов.
7. Сброс аварийной защиты.

Принципы требований
Продвижение
Редактирование

1. Настройка сигналов тревоги и точек аварийной защиты, установка значений действий и диапазоны регулировки должны соответствовать требованиям технологического процесса.
2. При соблюдении условий безопасного производства следует стремиться к использованию простейших схем с минимальным количеством компонентов.
3. Сигналы тревоги и оборудование аварийной защиты должны устанавливаться в местах с малыми вибрациями, низким уровнем пыли, отсутствием коррозионных газов и электромагнитных помех.
4. Системы сигналов тревоги и аварийной защиты могут быть реализованы с помощью реле с контактами или без контактов (транзисторные схемы), а также с помощью DCS, PLC.5. Устройства обнаружения и исполнительные механизмы, установленные на месте в системах сигнальной оповещения и взаимодействия безопасности, должны соответствовать требованиям взрывозащиты и противопожарной защиты данного помещения.

6. Требования к питанию системы сигнальной оповещения совпадают с классом питания обычных приборов.

Принципы проектирования

Оповещение
Редактирование

Принципы проектирования датчиков

Принцип независимости

Критерии избыточности

Принципы проектирования конечных исполнительных механизмов

Принцип независимости клапанов

Критерии избыточности клапанов

Критерии согласования электромагнитных клапанов

Критерии согласования пускателей электродвигателей

Принципы проектирования логических модулей

Принцип независимости логических модулей

Критерии избыточности логических модулей

Принципы проектирования интерфейсов связи

Градация

Оповещение
Редактирование

Согласно IEC-61508 уровень надежности безопасности, необходимый для безопасной работы процесса, делится на 4 уровня (SIL1–SIL4). [1]

В соответствии с ISA-S84.01 уровень надежности безопасности разделяется на 3 уровня (SIL1–SIL3) на основе вероятности несоответствия требований взаимодействия безопасности системой:

1-й уровень применяется для редких аварий. В случае возникновения аварии воздействие на оборудование и продукцию незначительно, немедленное загрязнение окружающей среды и переломы людей не происходят, экономические потери невелики;

2-й уровень применяется для случаев, когда аварии происходят периодически. В случае аварии воздействие на оборудование и продукцию значительное, возможны загрязнение окружающей среды и травмы людей, экономические потери существенны;

3-й уровень применяется для случаев частых аварий. В случае аварии воздействие на оборудование и продукцию серьёзное, возможно значительное загрязнение окружающей среды и гибель людей, экономические потери велики.

В мониторинге работы промышленного оборудования модуль фазового синхронизатора является одним из ключевых компонентов. Его основная функция заключается в захвате фазовых сигналов вращающихся механизмов, что обеспечивает базовый эталон для анализа вибрации и измерения скорости вращения. Усовершенствованная версия модуля фазового синхронизатора 3500/25 от американской компании Bentley относится к категории датчиков, специально разработанных для систем инструментальных приборов на рамной основе. Благодаря оптимизации возможностей обработки сигналов модуль повышает надежность мониторинга состояния оборудования.
1. Техническое принципиальное устройство и основные компоненты:
Принцип работы модуля фазогенератора основан на электромагнитной индукции или фотоновом кодировании, при котором механический движение преобразуется в электрический импульсный сигнал путем обнаружения пазов или маркировочных точек на вращающейся оси. Модуль Bentley 3500/25 выполнен по двухканальной конструкции, поддерживает одновременную сборку двух сигналов фазы ключей, входное напряжение составляет 24 В, ток входа — 12 мА, что обеспечивает стабильную работу даже в сложных условиях эксплуатации. Вес основного модуля составляет всего 0,34 кг, вес модуля ввода-вывода (I/O) — 0,40 кг. Легкая конструкция позволяет легко интегрировать его в существующие системы мониторинга.
2. Функциональные характеристики и области применения:
Функция «установки-рамы» данного модуля позволяет беспрепятственно интегрироваться в систему мониторинга Bentley 3500, поддерживая такие функции, как измерение скорости вращения и анализ фазового сигнала. Например, при мониторинге паровых турбин или компрессоров модуль может точно захватывать фазовый сигнал на каждом обороте ротора, обеспечивая временной базис для анализа спектра вибрации и помогая инженерам выявлять несоосность валов, дисбаланс и другие неисправности. Минимальный объем упаковки составляет 1 штука, что делает его подходящим для модернизации отдельных устройств или небольшой масштабной развертки.
3. Технические улучшения и практическое применение: по сравнению с традиционными фазовращателями, модуль 3500/25 демонстрирует значительное повышение устойчивости к помехам и скорости отклика. Благодаря оптимизации схемы модуль эффективно фильтрует электромагнитные помехи в промышленной среде, а стабильность выходного сигнала увеличивается более чем на 30%. Кроме того, модуль поддерживает функцию горячей замены, что позволяет проводить обслуживание без остановки оборудования и снижает потери из-за простоев. Практические испытания показали, что при колебаниях скорости в пределах ±5% модуль сохраняет точность измерения фазы не менее ±0,1°.
4. Способ использования и меры предосторожности: при установке необходимо обеспечить совмещение пазов штифтов датчика с вращающимся валом, расстояние между ними должно составлять от 0,5 до 2 мм для достижения оптимальной силы сигнала. Модуль поддерживает монтаж на DIN-рейку или панель, что позволяет использовать его в различных конфигурациях корпусов. В повседневном использовании необходимо регулярно проверять надежность крепления разъемов, чтобы избежать плохого контакта из-за вибрации. Диапазон рабочих температур модуля составляет от -20 °C до +60 °C, что делает его пригодным для большинства промышленных условий.

Интерфейс программы
Интерфейс программирования — это механизм вызова сервисов, предоставляемый операционной системой для программистов. Он обеспечивает взаимодействие пользовательских программ с ядром через системные вызовы и включает функции управления процессами, работы с файлами, обмена данными между процессами и другие возможности. Будучи единственным законным способом доступа приложений к системным ресурсам, интерфейс запускает переход из пользовательского режима в режим ядра с помощью программных прерываний, передает запросы через регистры или таблицу параметров и в конечном итоге выполняет их, возвращая результат.

Развитие интерфейсов программирования сопровождается эволюцией парадигм программирования. В ранние времена процедурно-ориентированные языки использовали функции как минимальную единицу, а объектно-ориентированные языки ввели классы, объединяющие данные и методы. Чтобы решить проблему смешанного функционала внутри классов, механизмы интерфейсов определяют модульные наборы методов с помощью чисто виртуальных функций. Сначала C++ реализовал технологию интерфейсного поиска (QI) для переключения между функциональными модулями. Системные вызовы, являясь базовой реализацией интерфейсов, постепенно стандартизировались в такие спецификации, как POSIX, а также улучшались за счёт инкапсуляции через API, что повысило удобство использования.
Описание интерфейса
Сообщениередактор
Для описания интерфейсов необходимо рассказать об истории развития языков программирования. Как говорил Лу Синь: «Сначала изучай историю, а затем учись науке». Только поняв прошлое и настоящее языков программирования, можно разобраться, почему существуют столько языков и почему они выглядят именно так, как сейчас. После появления компьютеров ученые последовательно разработали множество языков — Smalltalk, Pascal, Basic, C, C++, Java, .NET и другие. Развитие этих языков можно рассматривать как исторический переход от процедурного к объектно-ориентированному программированию. Многие книги по объектно-ориентированному программированию, рассказывая о своей истории, включают этот период в свои описания и призывают читателей восхищаться преимуществами ОО-программирования. Проблема в том, что многие новички в программировании вообще не понимают, зачем вообще нужно такое изменение, и трудно осмыслить, для чего вообще нужны такие понятия, как виртуальные функции, интерфейсы и т.д. в ОО-языках. Гранулометрия. Трансляция.редактор
Прежде чем мы погрузимся в историю этого раздела, давайте сначала разберём понятие «гранулометрия». Что такое гранулометрия? Автор считает, что под гранулометрией подразумевается масштаб комбинирования кодовых единиц в программе. Возьмём пример: песок — кирпичи — шаблон для строительства дома. Представьте, что вы собираетесь построить дом, и существует множество способов его возведения. Если вам не против сложности, можно строить домиками из песка, или обжигать песок в кирпичи и использовать их для кладки, а также напрямую покупать двери, окна и стены для дома на заводе. Эти три различных метода представляют собой три разных масштаба комбинирования. Песок — это минимальная единица измерения: если строить небольшой дом из песка, возможно, это даже приемлемо, но, безусловно, нам придётся использовать огромное количество песка, что затрудняет управление им. Кирпичи представляют собой более крупный уровень, позволяющий строить большие дома; шаблон для строительства дома — это максимальный масштаб, который позволяет быстро сооружать крупномасштабные здания. Различия и взаимосвязи между этими тремя уровнями во многом аналогичны концепции написания программ.

Во время раннего изучения языка Pascal преподаватель объяснил, что базовой единицей в этом процедурном языке являются процедуры и функции — они представляют собой мельчайшие компоненты программы. Процедуры и функции позволяют реализовать базовое повторное использование кода. Когда мы пишем определённые фиксированные функции в виде процедур или функций, мы можем вызывать их в программе, не приходя в каждый нужный момент написать такой же код отдельно. Преимущество очевидно. В небольших программах использование процедур и функций вполне уместно, однако в средних и крупных программах их недостатки проявляются: гранулометрия процедур и функций слишком мала. Если в системе насчитывается 10 000 функций и процедур, наши программисты будут тратить огромное количество времени на поиск и обслуживание этих элементов. Управление 10 000 совершенно не связанных между собой функций и процедур очевидно сложно — как быстрое расстройство компании из 10 000 человек без отделов и должностей?

Объектно-ориентированное программированиередактор
Появление объектно-ориентированных языков было задумано именно для решения этой проблемы. Не слушайте, как ОО-языки хвалятся, их появление имело одну единственную цель — повысить гранулярность программирования. Основной элементом объектно-ориентированного программирования является класс (CLASS), который объединяет множество данных, методов и процедур, тем самым повышая уровень детализации компонентов. Теперь мы не работаем с процедурами и функциями, а с отдельными классами более высокого уровня.

Например, если мы разделим 10 000 человек на несколько отделов, каждый из которых будет заниматься разными задачами, компания наконец сможет нормально функционировать. Но стоит ли сразу после создания класса CLASS закрываться? Нет, новые вопросы возникают: допустим, в одном отделе много сотрудников, которые могут выполнять множество задач — как же улучшить управление внутри отдела? Возьмем класс, который предоставляет множество методов и свойств, но эти методы и свойства можно разделить на группы, выполняющие различные функции. Однако наш класс не обеспечивает такого управления.

В объектно-ориентированном программировании (AO) объект map обладает множеством функций: управление слоями, элементами, наборами выбора, отображение карты. Каждая из этих функций имеет множество методов и свойств, которые хаотично скопированы в один класс без какой-либо системы группировки. Когда программист хочет найти определенный метод, ему приходится перебирать все методы, что очень неудобно.

В этот момент появляется интерфейс (interface). Когда создатель C++ впервые предложил концепцию чистых абстрактных функций (по сути, интерфейсов), он столкнулся с сопротивлением. Многие не понимали смысла интерфейса. Мы хорошо использовали виртуальные функции, зачем тогда добавлять пустой формальный инструмент?

Если сказать, что это класс, то он не может создавать объекты; если сказать, что это объект, то у него нет тела метода. Интерфейс сыграл хорошую роль, выделив внутренние структуры класса. Для объекта map можно создать несколько интерфейсов, в которых будут определены методы и функции различных функциональностей. Класс map реализует эти интерфейсы, и теперь мы можем использовать интерфейсы для определения и реализации объектов.

Таким образом, интерфейс — это совокупность определенных методов и свойств.

Dim pGraphicsContainer as iGraphicsContainer
pGraphicsContainer = application.document.ActiveView.focusMap

Свойства и методы, доступные для использования в pGraphicsContainer, ограничиваются теми, что они определили, и нельзя использовать интерфейсы, такие как управление элементами. Как же тогда использовать другие функции? Это называется QI (Query Interface).

Dim pGeoFeatureLayer as iGeofeatureLayer
pGeoFeatureLayer = pGraphicsContainer QI

История развития компьютерных языков — это история постоянного повышения гранулярности компонентов и повторного использования кода. Раньше мы использовали процедуры и функции, затем классы, а потом интерфейсы — всё ради того, чтобы найти баланс между конкретностью и абстрактностью. Если слишком конкретно, например, процедуры и функции, — теряется структура. Если слишком абстрактно, например, классы, — невозможно различать их.

Пример кода:

public interface IForm{
voidShow();
voidShowDialog();}
public class A : IForm{
public void Show(){
}
public void ShowDialog(){
}
}
public class B : IForm{
public void Show(){
}
public void ShowDialog(){
}
}
public class FormFactory{
public static IFormCreateInstance(string parm){
если (параметр == “A”){
returnnewA();
elseif(parm==”B”)
returnnewB();}
return null;}
}
Это абстракция логики, это конкретизация метода — это философия написания программ.

Японская TOSHIBA TCPSV
TOSHIBA TCPSV — это программное обеспечение для программирования ПЛК (программируемых логических контроллеров). Ниже приведено подробное описание его функций и особенностей:
1. Интерфейс программного обеспечения и управление
Программное обеспечение TCPSV обладает интуитивно понятным и удобным интерфейсом, позволяющим пользователям выполнять большинство операций простым кликом и перетаскиванием. Основные окна включают окно проекта, окно сообщений и окно программы, которые обеспечивают пользователю полную среду программирования и информационный отклик.
Окно проекта: используется для отображения и управления структурой и содержимым всего проекта ПЛК, включая блоки программ, настройку параметров и определение переменных.
Окно сообщений: в реальном времени отображает различные сведения о работе программного обеспечения, такие как ошибки компиляции, предупреждения и подсказки, помогая пользователю своевременно выявлять и решать проблемы.
Окно программы: является основной областью для программирования ПЛК, поддерживает различные языки программирования (например, табличные диаграммы, таблицы команд) и предоставляет богатые возможности редактирования и отладки.

2. Создание и управление проектами
Регистрация и выбор проекта:
Пользователь может зарегистрировать несколько проектов в TCPSV и выбрать нужные для редактирования проекты, нажав кнопку «ОК». Максимум можно выбрать 3 проекта; не выбранные проекты будут установлены по умолчанию (начальные данные).
Типы ПЛК и выбор языка программирования:
После выбора типа ПЛК и языка программирования нажмите кнопку «OK», чтобы войти в интерфейс редактирования проекта. TCPSV поддерживает различные типы ПЛК и языки программирования, что позволяет удовлетворить потребности разных пользователей.
Создание проекта из файла DOS KGL:
Пользователь может создать новый проект, используя объекты, созданные в KGL for DOS, включая программы, параметры и переменные/комментарии. После выбора существующего файла KGL необходимо выбрать тип ПЛК и язык программирования, чтобы открыть новый проект.
Создание проекта из файла GSIKGL:
TCPSV также поддерживает создание новых проектов из файлов GSIKGL. Пользователю достаточно выбрать существующий файл GSIKGL (например, *.PGM, *.CMT) в диалоговом окне и одновременно указать тип ПЛК и язык программирования.
3. Функции программирования и отладки
Меню блоков:
TCPSV предоставляет функцию блочного меню, с помощью которого пользователи могут управлять блоками программы, выполняя такие операции, как вырезание (Ctrl+X), копирование (Ctrl+C) и вставка (Ctrl+V). Эти функции доступны только после выбора блока.
Редактировать меню:
Пользователь может вставлять и удалять строки кода на курсоре, что удобно для локальных изменений и корректировки программы.
Редактор комментария Рунга:
TCPSV поддерживает редактирование комментариев к строкам (т.е. комментариев к строкам) в указанных строках, что помогает пользователям лучше понять структуру и функциональность программы.
Выбор блока:
Пользователь может выбирать блоки по количеству шагов, что удобно для копирования, перемещения или удаления крупных фрагментов кода.
Оптимизируйте программу:
TCPSV предоставляет функцию оптимизации программ, позволяя достичь максимально возможного состояния программы путем удаления NOP-команд (команд без действия) или ненужных строк.
Поиск и замена:
Пользователь может использовать функцию поиска и замены для быстрого нахождения и замены заданных объектов операций (например, имен переменных, команд и т. д.), что повышает эффективность программирования.
4. Другие функции
TCPSV также поддерживает множество других функций, таких как онлайн-мониторинг, диагностика неисправностей и запись данных. Эти функции позволяют пользователям в режиме реального времени отслеживать состояние работы ПЛК, своевременно выявлять и решать возникающие проблемы.