Определение, функции и состав АСУТП
ЛЕКЦИИ ПО АСУ.
Общие сведения о технологических процессах (ТП)
· Определение ТП.
· Классификация ТП.
· ТП как объект управления.
· Определение, функции и состав АСУТП.
Определение ТП.
Производственный процесс, т.е. процесс производства необходимой продукции, в целом и в каждой отдельной фазе представляет собой совокупность взаимосвязанных частичных процессов
· вспомогательных;
· обслуживающих;
· основных.
К вспомогательным процессам относят
· изготовление инструмента,
· ремонт оборудования,
· производство энергоресурсов, сжатого воздуха и т.д.
К обслуживающим процессам относятся
· технический контроль качества продукции,
· транспортное обслуживание,
· складирование предметов труда и производства.
Основную часть производственного процесса составляют технологические процессы. Технологическое содержание производственного труда принято называть технологическим процессом (ТП). ТП определяет изменение форм, размеров, физико-химических свойств предметов труда. Для целей организации и нормирования труда ТП расчленяют на операции. Операция – это часть ТП, выполняемая над определенным предметом труда на одном рабочем месте одним или группой рабочих.
По технологическим признакам операции расчленяются на установки, переходы и проходы.
Установкой называется часть операции, выполняемая при неизменном положении предмета труда.
Переходом называется часть операции, выполняемая над изменением одного или одновременно несколькими свойствами предмета труда, одним или одновременно несколькими инструментами при неизменном режиме работы оборудования.
Проход – это часть перехода, при котором изменяется свойство предмета труда без смены инструмента и изменения режима обработки.
Разнообразие ТП обусловлено следующими основными факторами:
· видом используемого сырья;
· формой и количеством необходимых энергоресурсов;
· количеством стадий (операций) преобразования сырья;
· временными характеристиками операций процесса;
· видом готовой продукции.
Классификация ТП.
По характеру протекания ТП делятся на непрерывные, периодические и дискретные.
Непрерывным называется процесс, в котором конечный продукт вырабатывается пока подводится сырье, энергия, катализаторы, управляющие воздействия. Например, процессы нефтепереработки и т.п.
Периодическим является ТП, в котором за сравнительно небольшой промежуток времени (часы или дни) вырабатывается определенное, ограниченное количество конечного продукта. При этом в течение отведенного промежутка времени периодический процесс является непрерывным. Например, доменный процесс.
Дискретным называется ТП, в котором готовый продукт вырабатывается за определенные промежутки времени и, который можно остановить и продолжить с любой технологической операцией без снижения заданного уровня качества. Пример: сборка на конвейере, испытание готовых изделий и т.п.
Характеристики большинства ТП таковы, что требуют четкого управления ими, хотя бы с точки зрения безопасности. В общем случае, необходимость управления ТП диктуется следующими факторами:
1. для обеспечения качества готового продукта состав и количество входных компонентов должны поддерживаться на заданном уровне;
2. износ орудий труда и переменный состав сырья требует непрерывного изменения (подстройки) параметров ТП;
3. пуск и остановка некоторых ТП требует выполнения специфических точно синхронизированных операций и др.
Характерной особенностью современных ТП является то, что управление ими занимает нижний уровень в иерархической системе управления производством.
Чем ниже уровень управления системы, тем выше должны быть темпы ее разработки и внедрения. Этого невозможно достичь без разработки автоматизированных систем (АСУТП). Методологической основой создания АСУТП является системный подход, обеспечивающий комплексное решение задач наилучшего управления ТП. Необходимость системного подхода диктуется тем, что современные ТП являются сложными объектами управления с большим числом входных и выходных переменных. Сложные нелинейные связи между переменными, их нестационарность, высокий уровень производственных шумов, недостаточность априорной информации о закономерностях их протекания создают значительные трудности при создании адекватных моделей ТП. Ведение ТП должно удовлетворять нескольким зачастую противоречивым требованиям к качеству готовой продукции и производительность установки.
Качество продукции определяется, в первую очередь, качеством сырья, заготовки возмущениями, действующими на процесс, качеством инструмента, режимом обработки и т.д.
Производительность установки определяется простоями оборудования, потерями времени при переходе от одного вида продукции к другому, потери на плановые и аварийные ремонты, а также режимом работы самого оборудования.
Поскольку качество и производительность взаимосвязаны, то системы управления ими не могут быть автономными.
Система управления качеством организуется на каждой технологической операции, должна быть оперативной, работать в реальном времени.
Система управления производительностью состоит из систем управления режимами технологических операций, управления транспортными операциями и межоперационными запасами.
В связи с этим можно проиллюстрировать место АСУТП в составе АСУ производственным процессом (рис.1.1.1).
Рис.1.1.1 АСУ производственным процессом
ТП как объект управления.
Для представления ТП как объекта управления используется язык теории управления. В простейшем случае ТП представляется в виде одномерного объекта (рис.1.1.2а), на входе которого действует переменная x(t), характеризующая какое-либо свойство сырья, а на выходе имеем переменную у(t), характеризующую какое-либо свойство готового продукта.
Рис.1.1.2 виды ТП
В общем случае ТП представляется в виде многомерного объекта (рис.1.1.2б), на входе которого действует векторная переменная Х(t) с составляющими x1(t),...,xn(t).
К этим переменным относятся все свойства сырья или заготовок (хим. состав, размеры, механические свойства и т.д.). Параметры процесса, характеризующие условия протекания (температура, давление, число оборотов, скорость и т.д.), описывается векторной функцией Z(t) с составляющими z1(t),...,zm(t). Выходные переменные описываются вектором У(t) с составляющими y1(t),..., yn(t).
Это характеристики готового продукта (хим. состав, размеры, количество, стоимость и т.д.).
Размерность векторов X, Y, и Z обычно велика для реальных процессов и все их учесть принципиально невозможно, поэтому они рассматриваются как случайные функции. При этом X(t) и Z(t) рассматриваются как причины, их обединяют в группу входных переменных. Многомерный ТП может быть представлен следующей блок – схемой (рис.1.1.3):
Рис.1.1.3 многомерный ТП
Здесь случайная функция X(t)=(x1(t),...,xn(t)) включает как измеряемые, так и неизмеряемые переменные. Часть из них является управляющими. Неуправляющие переменные называются шумами. Задача системы управления состоит в компенсации действия этих шумов (возмущений). С учетом шумов блок-схема ТП с одномерным выходом представляется в виде (рис.1.1.4):
Рис.1.1.4 ТП с учетом шумов
x1(t),...,xp(t) – измеряемые входные переменные;
(n-p) входных переменных рассматривается как шум, приложенный к выходу y(t).
В качестве общей динамической характеристики ТП принимается оператор, ставящий в соответствии входные и выходные функции. Для описания объекта на рис.1.1.3. требуется m операторов Ai, (i=1,2,....,m):
yi(t)=Ai{x1(t),...,xn(t)}
Для процесса на рис.1.1.4 связь между входными и выходными переменными устанавливается с помощью выражения:
Конкретное выражение оператора A зависит от выбранной модели ТП. Это может быть система линейных уравнений, система обыкновенных дифференциальных уравнений, уравнения условных плотностей или функции распределения и т.д. В зависимости от способов представления оператора и входных и выходных переменных обычно и производится классификация процессов. Входные и выходные переменные могут рассматриваться как детерминированные или случайные.
Модель процесса называется детерминированной, если ее оператор детерминирован.
Модель процесса называется стохастической, если соответствующий ей оператор является случайным.
Сложный ТП представляется в виде последовательности (цепочек) технологических операций.
ТП как последовательность операций может быть представлен следующими способами:
o линейное представление (предполагается наличие первой и последней операции) это последовательная цепочка операций.
o сложное линейное представление – последовательная цепочка с параллельными ветвями
o циклическое представление
Обычно рассматриваются два вида цепочек:
§ выходные переменные на i-ой операции зависят от входных переменных на этой же операции и не зависят от входных переменных на операциях с номерами <i;
§ входные переменные на всех или некоторых операциях влияют на выходную переменную последней операции в цепочке.
Определение, функции и состав АСУТП
§ АСУТП – человеко – машинная система управления, обеспечивающая автоматизированный сбор и обработку информации, необходимой для оптимизации управления ТОУ в соответствии с принятым критерием.
Критерий управления АСУТП – это соотношение, характеризующее качество функционирования ТОУ в целом и принимающее конкретные числовые значения в зависимости от используемых управляющих воздействий.
Критерием управления может быть:
§ технико-экономический показатель (себестоимость, производительность ТОУ и т.п.)
§ технический показатель (параметр процесса, характеристики выходного продукта).
Система управления ТОУ является АСУТП в том случае, если она осуществляет управление ТОУ в целом в темпы протекания ТП и если в выработке и реализации решений по управлению участвуют средства ВТ и другие технические средства и человек- оператор.
Функции АСУТП – это круг (совокупность ) действий системы, направленных на достижение частной цели управления функции АСУТП подразделяются на:
6. управляющие – результатом которых являются выработка и реализация управляющих воздействий на ТОУ [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 АСУТП – их направленность на конкретного потребителя (ТОУ, оперативный персонал, смежные системы управления).
7. информационные – содержанием которых является сбор, обработка и представление информации о состоянии АТК оперативному персоналу или передача этой информации для последующей обработки [централизованный контроль и измерение технологическич 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].
8. Вспомогательные – это функции обеспечивающие решение внутри системных задач. Они имеют потребителя вне системы [контроль за функционированием и состоянием технических средств, контроль за хранением информации и т.п.]
Состав АСУТП.
9. техническое обеспечение (вычислительные и управляющие устройства, средства получения (датчики), преобразования, хранения, отображения и регистрации информации, устройства передачи сигналов и исполнительные устройства).
10. программное обеспечение – совокупность программ, необходимая для реализации функций АСУТП, заданного функционирования КТС и предполагаемого развития системы.
11. информационное обеспечение включает информацию, характеризующую состояние АТК, системы классификации и кодирования технологической и технико-экономической информации, массива данных и документов, необходимых для выполнения всех функций АСУТП, в том числе нормативно-справочную информацию.
12. организационное обеспечение – совокупность описаний функциональной, технической и организационных структур, инструкции для оперативного персонала, обеспечивающих задание функционирования его в составе АТК.
13. оперативный персонал
14. технологи-операторы, осуществляющие контроль за управлением ТОУ с использованием рекомендаций выработанных АСУТП.
15. эксплуатационный персонал АСУТП
Ремонтный персонал в состав АСУТП не входит
Схемы управления в АСУТП
· Управление в режиме сбора данных.
· Управление в режиме советчика оператора.
· Супервизорное управление.
· Непосредственное цифровое управление.
1. Управление в режиме сбора данных.
· После этапа идентификации необходимо выбрать схему управления ТП, которая, как правило, строится с учетом применения принципов управления, определяющих режим функционирования АСУТП. Наиболее простой и исторически первой появилась схема управления ТП в режиме сбора данных. При этом АСУ подсоединяется к процессу способом, выбранным инженером-технологом (рис.1.2.1).
Рис.1.2.1 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 АСУТП 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.
2. Управление в режиме советчика оператора.
· Управление в режиме советчика предполагает, что ЭВМ в составе АСУТП работает в ритме ТП в разомкнутом контуре, т.е. выходы АСУТП не связаны с органами, управляющими ТП. Управляющие воздействия фактически осуществляются оператором-технологом, получающим указания от ЭВМ (рис.1.2.2).
Рис.1.2.2 АСУТП в режиме советчика оператора
Все необходимые управляющие воздействия вычисляются ЭВМ в соответствии с моделью ТП, результаты вычислений представляются оператору в печатном виде (или в виде сообщений на дисплее). Оператор управляет процессом, изменяя уставки регуляторов. Регуляторы являются средствами поддержания оптимального управления ТП, причем оператор играет роль следящего и управляющего звена. АСУТП играет роль устройства, безошибочно и непрерывно направляющего оператора в его усилиях оптимизировать ТП.
Основной недостаток этой схемы управления заключается в постоянном наличии человека в цепи управления. При большом числе входных и выходных переменных такая схема управления не может применяться из-за ограниченных психофизических возможностей человека. Однако управление этого типа имеет и преимущества. Оно удовлетворяет требованиям осторожного подхода к новым методам управления. Режим советчика обеспечивает хорошие возможности для проверки новых моделей ТП; в качестве оператора может выступать инженер-технолог, "тонко чувствующий" процесс. Он наверняка обнаружит неправильную комбинацию уставок, которую может выдать не окончательно отлаженная программа АСУТП. Кроме того, АСУТП может следить за возникновением аварийных ситуаций, так что оператор имеет возможность уделять больше внимания работе с уставками, при этом АСУТП следит за большим числом аварийных ситуаций, чем оператор.
3. Супервизорное управление.
1. В этой схеме АСУТП используется в замкнутом контуре, т.е. установки регуляторам задаются непосредственно системой (рис.1.2.3).
Рис.1.2.3 схема супервизорного управления
Задача режима супервизорного управления – поддержание ТП вблизи оптимальной рабочей точки путем оперативного воздействия на него. В этом одно из главных преимуществ данного режима. Работа входной части системы, и вычисление управляющих воздействий мало отличается от работы системы управления в режиме советчика. Однако, после вычисленных значений уставок, последние преобразовываются в величины, которые можно использовать для изменения настроек регуляторов.
Если регуляторы воспринимают напряжения, то величины вырабатываемые ЭВМ, должны быть преобразованы в двоичные коды, которые с помощью цифро-аналогового преобразователя превращаются в напряжения соответствующего уровня и знака. Оптимизация ТП в этом режиме выполняется периодически, напр. один раз в день. Должны быть введены новые коэффициенты в уравнения контуров управления. Это осуществляется оператором через клавиатуру, или считывая результаты новых расчетов, выполненные на ЭВМ более высокого уровня. После этого АСУТП способна работать без вмешательства извне в течение длительного времени. Примеры АСУТП в супервизорном режиме.
1. Управление автоматизированной транспортно-складской системы. ЭВМ выдает адреса стеллажных ячеек, а система локальной автоматики кранов-штабелеров отрабатывает перемещение их в соответствии с этими адресами.
2. Управление плавильными печами. ЭВМ вырабатывает значения уставок электрического режима, а локальная автоматика управляет переключателями трансформатора по командам ЭВМ.
3. Станки с ЧПУ управление через интерполятор.
4. Неспосредственное цифровое управление.
В режиме непосредственного цифрового управления (НЦУ) сигналы, используемые для приведения в действие управляющих органов, поступают непосредственно из АСУТП, и регуляторы вообще исключаются из системы. В сущности, регуляторы – это малые аналоговые вычислители, которые решают одно-единственное уравнение, напр. такого вида:
(положение клапана) = 
(1.2.1)
где k0, k1, k2, k3 – параметры настройки, благодаря которым регулятор можно настроить на работу во многих различных процессах;
= (измеряемая переменная) – (уставка).
Если 
, то для выведения процесса на заданную контрольную точку требуется перемещение управляющего органа.
Если регулятор использует для своей работы 2 первых члена уравнения (1.2.1), то он называется "пропорциональным", сокращенно П. Если используется 3 первых члена, то регулятор называется "пропорционально-интегральным" (ПИ), и если используется все члены уравнения (1.2.1), то регулятор называется "пропорционально-интегрально-дифференциальным" (ПИД).
Концепция НЦУ позволяет заменить регуляторы с задаваемой уставкой, АСУТП расчитывает реальные воздействия, и передает соответствующие сигналы непосредственно на управляющие органы. Схема НЦУ показана на рис.1.2.4.
Рис.1.2.4 схема непосредственного цифрового управления (НЦУ)
Уставки вводятся в АСУ оператором или ЭВМ, выполняющей расчеты по оптимизации процесса. При наличии системы НЦУ оператор должен иметь возможность изменять уставки, контролировать некоторые избранные переменные, варировать диапозоны допустимого изменения измеряемых переменных, изменять параметры настройки и вообще должен иметь доступ к управляющей программе.
Одно из главных преумуществ режима НЦУ заключается в возможности изменения алгоритмов управления для контуров простым внесением изменений в хранимую программу.
Наиболее очивидный недостаток НЦУ проявляется при отказе ЭВМ.