МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ
РФ
Пермский государственный
технический университет
Горно-нефтяной факультет
Кафедра электрификация и автоматизация
горных предприятий
Контрольная работа по дисциплине
«Метрология, стандартизация и сертификация»
Выполнила.
Принял доцент, кандидат технических
наук
Потанин А.В.
Пермь, 2012 год
- Измерительные подсистемы АСУ ТП
Автоматизированная система
управления технологическим процессом
(АСУ ТП) — комплекс программных и технических
средств, предназначенный для автоматизации
управления технологическим оборудованием
на предприятиях. Под АСУ ТП обычно понимается
комплексное решение, обеспечивающее
автоматизацию основных технологических
операций на производстве в целом или
каком-то его участке, выпускающем относительно
завершенный продукт.
Автоматизированные
системы управления асу – решают комплекс задач по
управлению технологическим процессом,
а также осуществляет функцию контроля
в различных отраслях промышленности.
Проектирование и разработка АСУ ТП выполняется
в соответствии с требованиями международных
стандартов, предъявляемых в автоматизированным
системам. На сегодняшний день автоматизированные
системы управления (АСУ) являются неотъемлемой
частью современного передового общества.
История АСУ ТП
Появление автоматизированных систем
управления технологическими процессами
стало следствием синтеза и встречного
развития автоматизированных систем управления
(АСУ) и локальной автоматики.
АСУ
Термин АСУ появился в момент,
когда в системы управления для
решения различных задач начали
внедрять вычислительную технику. Типовая
АСУ вначале выглядела как
двухуровневая система: нижний уровень
отвечал за сбор информации, а верхний
- за принятие решения. Поток информации
поступал от объекта управления к
оператору, который обменивался
данными с ЭВМ и осуществлял
управление объектом. Вычислительные
мощности использовались лишь для того,
чтобы облегчить оператору или
диспетчеру обработку поступающей
информации. В качестве объекта управления
могли подразумеваться как технические
средства, так и производственные
структуры, между которыми с точки
зрения теории автоматизации нет
принципиальной разницы. Отличие появилось
только в названии: автоматизированное
управление производством (предприятием)
стали обозначать АСУП, автоматизированное
управление техническими средствами и
процессами – АСУ ТП. Первые АСУ ТП создавались
путем объединения с уже созданными телемеханическими
системами ЭВМ, причем оператор становился
одновременно и оператором ЭВМ, и диспетчером
телемеханической системы. Однако до эпохи
персональных компьютеров один оператор
был не в состоянии - в дополнение к своим
непосредственным обязанностям по управлению
телемеханической системой - справляться
еще и с управлением ЭВМ, которая зачастую
требовала внимания значительно большего,
чем телемеханическая система. Поэтому
теоретические разработки таких АСУ ТП
весьма редко воплощались на практике,
да и то лишь в тех областях, где экономический
эффект от внедрения ЭВМ в технологический
процесс не имел решающего значения (космическая,
военная сферы). По мере развития и удешевления
вычислительной техники пути дальнейшего
развития АСУ ТП стали очевидными: попытаться
возложить на ЭВМ часть функций, выполняемых
оператором. Однако описанная выше структурная
схема уже не соответствовала этим задачам,
и попытки ее модернизировать, добавив
поток информации от объекта непосредственно
к ЭВМ и управление объектом при помощи
ЭВМ, минуя оператора, сразу же выявили
ее неработоспособность. ЭВМ не способна
воспринимать входную информацию в том
же виде, что и оператор, как не способна
непосредственно управлять технологическим
процессом. Попытки преобразовывать сигналы
для ввода и адаптировать управление с
учетом требований ЭВМ приводили к усложнению
и удорожанию системы, что не всегда оправдывало
сами усовершенствования. Такая ситуация
(по крайней мере, в Советском Союзе) существовала
примерно до середины 80-х годов.
Локальная автоматика
Локальная автоматика развивалась
от выполнения частных задач управления
одним процессом или объектом
к управлению комплексом из нескольких
процессов или объектов. Комплекс
технических средств, обеспечивающих
автоматическое функционирование группы
технологических процессов или
технических средств, получил название
системы автоматического управления
(САУ). САУ предполагают функционирование
процесса без вмешательства человека.
Первые САУ реализовывались на аналоговых
регуляторах и релейных схемах автоматического
управления и были довольно широко распространены
и успешно применялись как в качестве
небольших узлов автоматического управления,
так и в больших телемеханических системах.
Однако попытки создать полностью автоматическую,
большую (более 100 контролируемых и управляемых
параметров) телемеханическую систему
при помощи аналоговой автоматики и релейных
схем управления приводили к тому, что
зачастую физический объем и стоимость
такой системы оказывались значительно
больше, чем у самого объекта (или группы
объектов) управления. Да и надежность
таких систем была невелика. Поэтому параллельно
с автоматической системой управления
всегда создавалось ручное управление,
что, естественно, не способствовало ни
упрощению, ни удешевлению оборудования.
Релейные схемы управления легко поддаются
моделированию программными средствами,
поэтому было вполне естественно попытаться
использовать для этих целей вычислительную
технику. Такая возможность возникла с
появлением мини- и микроЭВМ. И здесь встала
уже знакомая проблема адаптации, только
в данном случае вычислительной техники
к локальной автоматике. При построении
"снизу" реальная работоспособность
АСУ ТП оказалась той же, что и при построении
"сверху".
Движение навстречу
Таким образом, развитие АСУ и локальной
автоматики шло во встречных направлениях,
но до определенного момента теоретически
хорошо разработанные схемы построения
АСУ ТП с двухуровневой архитектурой
на практике оказывались или слишком
сложными и дорогими, или неработоспособными.
Чтобы эти два направления
«встретились», потребовалось целенаправленное
развитие средств автоматизации, в
первую очередь в плане совместимости
датчиков и исполнительных механизмов
с цифровой аппаратурой обработки
данных. Необходимо было преодолеть такое
важное ограничение, как высокая
стоимость вычислительной техники.
Наиболее приемлемым решением обеих
проблем сразу стало создание
программируемых управляющих микропроцессорных
контроллеров. Программируемые контроллеры,
будучи по своей сути цифровыми (а
значит, легко совместимыми с управляющими
машинами верхнего уровня), имеют специализированные
блоки для управления и связи
со всевозможными аналоговыми, дискретными
и цифровыми датчиками и исполнительными
механизмами. Широкое распространение
контроллеров совпало по времени с началом
распространения персональных компьютеров.
Поэтому можно сказать, что простые и недорогие
реально работающие автоматизированные
системы управления технологическими
процессами начали появляться в тот же
момент, когда в повседневной жизни вместо
термина ЭВМ начал употребляться термин
"персональный компьютер", или просто
компьютер. С применением программируемых
контроллеров типовая схема построения
АСУ ТП приобрела вид цепочки: оператор
- управляющий компьютер - управляющие
программируемые контроллеры - датчики
и исполнительные механизмы - объекты
управления, где обмен информацией шел
в обоих направлениях. При построении
АСУ ТП по данной схеме оператор уже не
может непосредственно влиять на технологический
процесс, воспринимая информацию непосредственно
с датчиков и управляя исполнительными
механизмами. Хотя создание параллельного
ручного управления в принципе возможно,
но в нем нет необходимости, так как надежность
системы в большинстве случаев достаточна,
а аварийные ситуации могут отрабатываться
как управляющим компьютером, так и программируемыми
контроллерами. Такая архитектура АСУ
ТП подразумевает, что каждый аппаратный
уровень может принимать на себя часть
функций иных уровней. Например, все функции
управления технологическим процессом
можно возложить на управляющие контроллеры,
а компьютер верхнего уровня в этом случае
будет только отображать ход процесса.
Можно использовать контроллеры лишь
как передаточное звено, а всем процессом
будет управлять компьютер или даже оператор.
На практике чаще всего функции обработки
поступающей с датчиков информации и принятия
управленческого решения распределены
между управляющим компьютером и контроллерами;
оператор задает лишь начальные условия
технологического процесса и при необходимости
корректирует сам процесс. Такая архитектура
позволяет легко наращивать системы автоматизированного
управления. Нет никаких принципиальных
ограничений, запрещающих в случае необходимости
одновременно управлять несколькими процессами
или объединять несколько процессов в
один. Компьютер верхнего уровня может
быть соединен и с другими компьютерами,
которые выполняют задачи, не связанные
с технологическими процессами, например,
функции бухгалтерии, отделов маркетинга,
кадров и т.д. В таком случае АСУ ТП будет
составлять часть одного из компонентов
единой информационно-управляющей системы.
АСУ ТП сегодня
В настоящее время такие системы
представляют собой объект активных
теоретических исследований. Исследователи,
используя новый технологический
уровень, вернулись к созданию моделей
комплексной автоматизации процессов,
производств и производственных
структур. Единые открытые вычислительные
системы позволяют управлять
распределенными децентрализованными
эволюционирующими структурами
с ограниченным взаимодействием, способными
поддерживать по мере потребностей механизм
налаживания новых связей или
углублять их взаимодействие. Все
необходимые аппаратные средства для
таких систем уже созданы или
легко могут быть созданы. Активно
разрабатывается для этих целей
системо-независимое программное обеспечение.
Главная проблема состоит в создании системы
протоколов функционирования сети. Если
решение задач бухгалтерских, маркетинговых
и прочих офисных приложений успешно решается
при помощи локальных компьютерных сетей,
то привнесение в эту сеть задач АСУ ТП
предъявляет новые требования к ее функционированию:
возможность работы в режиме реального
времени, максимальный приоритет при работе
с объектом управления, надежность протоколов
связи с объектами и самотестирование
системы на предмет утери связи с контролируемым
процессом. Что касается ПО непосредственно
для АСУ ТП, то для создания автоматизированных
технологических процессов существуют
и успешно применяются пакеты, называемые
в технической литературе SCADA-программами
(Supervisory Control and Data Acquisition - диспетчерское
управление и сбор данных). Эти программы
позволяют обеспечить двустороннюю связь
в реальном времени с объектом управления
и контроля, визуализацию информации на
экране монитора в любом удобном для оператора
виде, контроль нештатных ситуаций, организацию
удаленного доступа, хранение и обработку
информации. SCADA-пакеты обеспечивают гибкость
системы, поддерживают распределенную
архитектуру, возможность разработки
драйверов, масштабируемость, резервируемость,
поддержку специализированных языков
программирования. Микропроцессорные
промышленные управляющие контроллеры
также имеют собственные языки программирования,
позволяющие описать конкретный процесс:
это так называемые языки релейных схем
со встроенными булевыми операциями. Контроллеры
можно программировать и при помощи Ассемблера
или языка высокого уровня, чаще всего
C, с последующим компилированием и загрузкой
управляющих программ в память контроллера.
В настоящее время создание АСУ ТП, особенно
небольших, не является чем-то исключительным.
Наработаны типовые схемы, схемные и программные
решения, используя которые разработчики
даже не акцентируют внимание на том, что
они создают АСУ ТП, - просто решаются текущие
задачи управления оборудованием или
процессом. Это свидетельствует о том,
что автоматизация уже достигла той степени
обыденности, что и, например, электрификация.
Тем не менее, новые применения или новые
решения в этой области всегда привлекают
внимание - вспомним хотя бы управление
автоматической стиральной машиной через
Интернет.
Функции АСУ ТП
Функции
АСУ ТП подразделяются на:
1. Информационные, содержанием
которых является сбор, обработка и представление
информации о состоянии автоматизированного
технологического комплекса (АТК) оперативному
персоналу или передача этой информации
для последующей обработки. Например,
централизованный контроль и измерение
технологических параметров, косвенное
измерение параметров процесса, формирование
и выдача данных оперативному персоналу
АТК, подготовка и передача информации
в смежные системы управления, обобщенная
оценка и прогноз состояния АТК и его оборудования.
2. Управляющие, результатом
которых являются выработка и реализация
управляющих воздействий на ТОУ. Например,
регулирование (стабилизация) отдельных
технологических переменных, однотактное
логическое управление операциями или
аппаратами, программное логическое управление
группой оборудования, оптимальное управление
установившимися или переходными технологическими
режимами, адаптивное управление объектом
в целом. Отличительная особенность управляющих
и информационных функций АСУ ТП – их
направленность на конкретного потребителя
(ТОУ, оперативный персонал, смежные системы
управления).
3. Вспомогательные, функции
обеспечивающие решение внутри системных
задач. Они имеют потребителя вне системы.
Например, контроль за функционированием
и состоянием технических средств, контроль
за хранением информации и т.п.
Состав АСУ ТП
1. Техническое обеспечение
– комплекс технических средств получения
информации о состоянии ТОУ, формирования
и передачи информации, локального регулирования
и управления вычислительной техники,
представления информации оперативному
персоналу, передачи информации в смежные
и вышестоящие АСУ, исполнительные устройства.
2. Программное обеспечение,
состоящее из общего и специального. Общее
программное обеспечение – организующие
и транслирующие программы, библиотеки
стандартных программ и т. д. Специальное
программное обеспечение – программы
контроля и управления, реализующие функции
АСУ ТП.
3. Информационное обеспечение
– единая система классификации и кодирования
технологической и технико-экономической
информации, справочная и оперативная
информация.
4. Организационное обеспечение
– описание функциональной, технической
и организационной структур, инструкции
и регламенты для оперативного персонала.
5. Оперативный персонал
– технологи-операторы, осуществляющие
управление ТОУ, эксплуатационный персонал,
обеспечивающий заданное функционирование
системы в целом.
Основные мероприятия
при создании или реконструкции
АСУ ТП
Основные
мероприятия при создании или
реконструкции АСУ ТП включают:
• обследование
объекта автоматизации
• разработку
концепции автоматизации, технических
требований и технического задания
на АСУ ТП
• выбор
программно-технического комплекса
для АСУ ТП
• техническое
руководство работами по разработке
и внедрению АСУ ТП
• разработку
технорабочего проекта АСУ ТП, включая
компоновку и планы размещения оборудования,
чертежи архитектурно-строительной части,
монтажные чертежи, кабельные журналы,
спецификации на оборудование и материалы
по всем частям проекта, рабочие сметы,
сводный сметный расчёт
• разработку
алгоритмического обеспечения, включая
видеограммы, алгоритмы технологических
защит, блокировок, авторегуляторов, сигнализации,
шаговых программ (ФГУ), информационно-расчётных
задач
• разработку
проекта программно-технического комплекса
(ПТК)
• заводские
испытания и поставку ПТК
• обучение
персонала
• строительные
и электромонтажные работы (с привлечением
субподрядчиков), технический надзор
за реализацией проекта АСУ ТП
• пуско-наладочные
работы, включая «холодную» наладку,
поузловое опробование, комплексное
опробование, сдачу в опытную
эксплуатацию, режимную наладку
• приёмо-сдаточные
испытания и ввод АСУ ТП в промышленную
эксплуатацию
• гарантийное
и постгарантийное сопровождение
Схемы управления в АСУ
ТП
Управление в режиме сбора данных
После идентификации
необходимо выбрать схему управления
ТП, которая, как правило, строится с
учетом применения принципов управления,
определяющих режим функционирования
АСУ ТП. Наиболее простой и исторически
первой появилась схема управления
ТП в режиме сбора данных. При этом
АСУ подсоединяется к процессу способом,
выбранным инженером-технологом (рис.1).
Рис. 1 Система
сбора данных
Интересующие
инженера-технолога переменные преобразуются
в цифровую форму, воспринимаемую системой
ввода и помещается в ЗУ ЭВМ. Величины
на этом этапе являются цифровыми представлениями
напряжения, генерируемого датчиками.
Эти величины по соответствующим формулам
преобразуются в технические единицы.
Например, для вычисления температуры,
замеряемой с помощью термопары, может
использоваться формула T=A*U2 + B*U + C, где
U – напряжение с выхода термопары; A, B
и C – коэффициенты. Результаты вычислений
регистрируются устройствами вывода АСУ
ТП для последующего использования инженером-технологом.
Главной целью сбора данных является изучение
ТП в различных условиях. В результате
инженер-технолог получает возможность
построить и (или) уточнить математическую
модель ТП, которым нужно управлять. Сбор
данных не оказывает прямого воздействия
на ТП, в нем нашел осторожный подход к
внедрению методов управления, основанных
на применении ЭВМ. Однако даже в самых
сложных схемах управления ТП система
сбора данных для целей анализа и уточнения
модели ТП используется как одна из обязательных
подсхем управления.