Цели, задачи и принципы построения автоматических систем управления

 

 

1 ЦЕЛИ, ЗАДАЧИ И ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ АВТОМАТИЧЕСКИХ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ

 

1.1 Основные термины и определения

 

 

АСУ ТП (автоматизированная система управления технологическими процессами) – совокупность программных и технических средств, предназначенная для управления технологическими процессами без непосредственного участия человека.

ТОУ (технологический объект управления) – совокупность агрегатов и оборудования, связанных между собой едиными материальными и энергетическими потоками.

ТП (технологический процесс) – последовательность изменений состояний исходных материалов (т.е. изменение физико-химических свойств и расположения в пространстве).

Непрерывным ТП называется такой ТП, изменение параметров которого происходит в непрерывной аналоговой форме (процесс получения пара).

Дискретным ТП называется такой ТП, изменение которого определяется как последовательная смена дискретных состояний: «открыто - закрыто», «включено - отключено», «наличие сигнала - отсутствие сигнала», (дозирование реагентов в гидрометаллургии, обработка деталей на станках с ЧПУ (числовым программным управлением) и т.п.).

 

1.2 Цели использования АСУ ТП

 

 

-оптимизация режимов работы  оборудования в соответствии  с заданными критериями (к примеру, получение промышленного пара требуемого качества при минимальном расходе топлива);

- освобождение человека от тяжелых физических и нервных нагрузок;

- обеспечение безопасного функционирования ТОУ;

- уменьшение износа оборудования за счет повышения качества управления.

 

 

1.3 Структура АСУ ТП

 

 

В самом общем виде структурная схема системы автоматизации представлена на рисунке 1.1. Система автоматизации состоит из объекта автоматизации и системы управления этим объектом. Благодаря определенному взаимодействию между объектом автоматизации и системой управления, система автоматизации в целом обеспечивает требуемый результат функционирования объекта, характеризующийся параметрами х1, х2,..., хn

 

 

Рисунок 1.1 – Структурная схема системы автоматизации

 

 

К этим параметрам можно отнести, например, величины, характеризующие целесообразный конечный продукт технологического процесса, отдельные параметры, определяющие ход технологического процесса, его экономичность, обеспечение безаварийного режима и т. д.

Кроме основных параметров, работа комплексного объекта автоматизации характеризуется рядом вспомогательных параметров y1, y2, ..., уj которые также должны контролироваться и регулироваться (например, поддерживаться постоянными). К такого рода параметрам можно отнести, например, величины, характеризующие работу установок подготовки технологического пара и сжатого воздуха, насосных станций оборотного водоснабжения и т. д. От этих установок требуется только подача на вход технологической установки сырья и энергоносителей с заданными параметрами. При этом необходимая дозировка подачи сырья и энергоносителей осуществляется средствами управления, относящимися к технологической установке.

В процессе работы на объект поступают возмущающие воздействия f1, f2, ... fi вызывающие отклонения параметров х1, х2,..., хn от их требуемых значений. Информация о текущих значениях х1, х2,..., хn  и y1, y2, ..., уj поступает в систему управления и сравнивается с предписанными им значениями g1, g2,..., gk, в результате чего система управления вырабатывает управляющие воздействия ε1, ε2, ...., εm для компенсации отклонений выходных параметров.

Таким образом, объект автоматизации в общем случае состоит из нескольких участков управления. Участки управления физически могут представляться в виде отдельных установок, агрегатов и т. д. или в виде локальных каналов управления отдельными параметрами одних и тех же установок, агрегатов и т. д.

 

 

1.4 Классификация АСУ ТП в зависимости от структуры

 

 

- Одноуровневые централизованные АСУ ТП - одноуровневые системы, в которых управление объектом осуществляется с одного пункта управления.

- Одноуровневые децентрализованные (распределенные) АСУ ТП - одноуровневые системы, в которых отдельные части сложного объекта управляются отдельными управляющими устройствами (контроллерами, ЭВМ, вторичными приборами) из самостоятельных пунктов управления.

- Многоуровневые.

Структурные схемы одноуровневых централизованных и децентрализованных систем приведены на рисунке 2, на котором стрелками показаны только основные потоки передачи информации от объекта управления к системе управления и управляющие воздействия системы на объект управления.

 

 

Рисунок 1.2 – Примеры одноуровневых систем управления:

а — централизованная система, б - децентрализованная система

 

 

Одноуровневые централизованные системы применяются в основном для управления относительно несложными объектами или объектами, расположенными на небольшой территории с компактно расположенным технологическим оборудованием. Большинство промышленных объектов в настоящее время представляет собой сложные комплексы, отдельные части которых расположены на значительном расстоянии друг от друга.

 

Рисунок 1.3 – Пример трехуровневой системы управления:

I- III - уровни управления

 

 

Кроме основных технологических установок, объекты имеют большое число вспомогательных установок-подобъектов (промышленные котельные, компрессорные, насосные станции оборотного водоснабжения, котлы-утилизаторы, очистные сооружения и т. п.), которые необходимы для обеспечения технологических установок всеми видами энергии, а также для утилизации и нейтрализации остаточных продуктов технологического процесса.

Если управление такого комплексного объекта построить по одноуровневой централизованной системе, то намного усложнятся коммуникации системы управления, резко возрастут затраты на ее сооружения и эксплуатацию, центральный пункт управления получится громоздким. Переработка информации, большая часть которой является ненужной для непосредственного ведения технологического процесса, представляет большие затруднения. Удаленность пункта управления от того или иного вспомогательного подобъекта затрудняет принятие оперативных мер по устранению тех или иных неполадок. Здесь более приемлемой становится одноуровневая децентрализованная система управления.

К многоуровневым системам управления целесообразно переходить в случае управления сложными технологическими процессами. В качестве примера, на рисунке 3 представлена трехуровневая система управления сложным объектом с разветвленными технологическими связями между установками. Отдельные технологические установки (объекты, имеющие существенную технологическую взаимосвязь) управляются децентрализовано с пунктов управления 1 — 7 (первый уровень управления). В связи с этим наиболее ответственные регулируемые параметры установок передаются на пункты управления 8 — 10 второго уровня управления. Основные параметры, определяющие технологический процесс объекта в целом, могут управляться и контролироваться с пункта управления третьего уровня.

Для первого уровня при проектировании  обычно предусматривают три режима управления:

- командами, поступающими от уровня  более высокого ранга;

- командами, формирующимися непосредственно  на первом уровне;

-командами, поступающими как с  уровня более высокого ранга, так и формирующимися непосредственно  на первом уровне.

Для уровня второго ранга и выше возможны четыре режима работы:

- аппаратура данного i-го ранга принимает и реализует управляющие воздействия команды (i + 1)-го ранга;

- команды формируются непосредственно на аппаратуре i-го ранга;

- все функции управления с i-го ранга передаются на аппаратуру (i-1)-го ранга;

- часть команд на аппаратуру i-го ранга поступает с (i+l)-ro ранга, часть команд формируется на i-м ранге, часть функций управления передана на аппаратуру (i-1)-го ранга.

Аппаратура i-го ранга соответственно должна иметь аппаратные и программные переключатели режимов на три положения с четкой сигнализацией положений.

Перевод аппаратуры с режима 1 на режим 2 осуществляется по команде или с разрешения оператора системы вышестоящего ранга.

Передача функций управления тем или иным параметром на нижестоящий ранг осуществляется только после приема команды о передаче и подтверждения оператора системы нижестоящего ранга о готовности к принятию на себя тех или иных функций управления (формирования команд).

Многоуровневая структура системы управления обеспечивает ее надежность, оперативность, ремонтопригодность. При этом решается оптимальный уровень централизации управления с минимальным количеством средств технологического контроля, управления и линий связи между ними. Однако многоуровневые АСУ ТП, по сравнению с одноуровневыми, отличает большая стоимость аппаратных средств и программного обеспечения, сложность в наладке и согласовании работы различных устройств.

 

1.5 Классификация АСУ ТП по числу и характеру уровней управления

 

 

- АСУ ТП класса 1 (АСУ ТП «нижнего» уровня) относятся АСУ ТП, получающие информацию о состоянии объекта управления непосредственно от датчиков и преобразователей и непосредственно управляющие агрегатами и установками производства. АСУ ТП «нижнего» уровня не имеют в своем составе других АСУ ТП.

- АСУ ТП класса 2 (АСУ ТП «верхнего» уровня) относятся АСУ ТП, управляющие группами установок, технологическими линиями, участками, в которых отдельные агрегаты (установки) имеют свои локальные системы управления (к примеру, на базе контроллеров или одноконтурные системы управления на базе вторичных приборов) не оснащенные АСУ ТП класса 1.

- К классу 3 (АСУ ТП многоуровневые) относятся АСУ ТП, объединяющие в своем составе АСУ ТП классов 1, 2 и реализующие согласованное управление отдельными технологическими установками или их совокупностью (цехом, производством).

 

 

1.6 Функции АСУ ТП

 

 

Функции автоматизации можно подразделить на 3 группы:

-информационные;

-управляющие;

-служебные.

 

1.6.1 Информационные функции включают в себя:

- Измерение

а) Прямое измерение: восприятие, первичная обработка: нормализация сигналов - приведение первичного сигнала в унифицированный (основные ряды: 0-5мА; 0-20мА; 4-20мА; 0-10мВ; 0-10В), линеаризация, масштабирование (тарирование), дискретизация, фильтрация, контроль достоверности.

Процедуры первичной обработки могут быть выполнены аппаратно или программно.

б) Косвенное измерение: расчет параметров ТОУ, недоступных прямому измерению и вычисление по замерам других параметров, по известной модели (к примеру, определение расхода жидкости из резервуара по изменению уровня)

- Анализ срабатывания блокировок и защит.

- Диагностика состояния технологического оборудования.

- Прогнозирование: расчет параметров в будущие моменты. В простом случае это линейная экстраполяция.

- Ведение базы данных. Архивация и хранение информации.

- Визуализация данных (отображение информации на экране, светодиодной мнемосхеме и т.п.).

- Обмен информацией со смежными и вышестоящими системами, и т.д.

 

1.6.2 Управляющие функции это:

- Стабилизация переменных в заданных пределах, регламентируемых технологией.

- Изменение значений параметров и режимов по заданной технологической программе.

- Формирование и реализация управляющих воздействий в зависимости от технологической ситуации по заданному алгоритму.

- Распределение материальных потоков и нагрузок между технологическими агрегатами.

- Управление пусками и остановками агрегатов.

 

1.6.3 Системные (служебные) функции включают в себя:

- Диспетчеризация программ (последовательность исполнения и порядок исполнения).

- Организация обмена между внутренними системными компонентами (ОЗУ, накопителями на жестких магнитных дисках) и с периферийными устройствами (клавиатурами, принтерами, и т.п.).

- Тестирование системных компонентов.

- Защита от сбоев, зависаний.

- Процедуры, направленные на функционирование системы в аварийных и предаварийных ситуациях (автоматический перезапуск при зависании операционной системы или восстановление работоспособности системы при отказах и сбоях).

 

 

1.7 Режимы работы ЭВМ в АСУ ТП

 

 

В современной промышленности с повышением мощности технологических установок возрастает информационная мощность систем контроля и управления, и оператор на пульте управления просто физически не в состоянии уследить за изменением сотен технологических параметров. Такая ситуация потребовала применения АСУ, основанных на использовании ЭВМ.

Рассмотрим основные режимы работы ЭВМ в АСУ ТП:

- Информационный режим. В ЭВМ вводится информация о состоянии объекта управления, в том числе значение регулируемых и управляющих величин. Данные об объекте, полученные с помощью ЭВМ выводятся на дисплей; используются для расчета показателей качества работы ТОУ; передаются в вышестоящую АСУ для дальнейшей обработки. Технологическим процессом управляет оператор с пульта управления, используя информацию, выдаваемую машиной.