 |
Особенности управления процессами
|
|
|
|
Под химико-технологическим процессом (ХТП) понимают определенную последовательность процессов (химических, физико-химических, их сочетаний) целенаправленной переработки исходных сырья и веществ в продукт. Химическое производство представляет собой совокупность процессов и операций, осуществляемых в аппаратах и машинах и предназначенных для целенаправленной переработки исходных веществ и сырья в продукты путем химических превращений.
Вопросам управления в химической технологии придается особое значение. Это, в первую очередь, связано со следующими особенностями ХТП:
1) сложность и высокая скорость протекания ХТП;
2) агрессивность и токсичность перерабатываемых веществ;
3) взрыво- и пожароопасность перерабатываемых веществ;
4) высокие (или низкие) температуры; высокие (сверхвысокие) давления или глубокий вакуум;
5) высокая чувствительность ряда ХТП к нарушениям технологического режима и т. д.
Для химико-технологических процессов, осуществляемых в крупнотоннажных химических и нефтехимических производствах, характерно запаздывание и параметры (показатели), выбранные для управления, при изменении условий проведения процесса не могут изменяться мгновенно. Кроме того, все время необходимо учитывать степень воздействия химических производств на окружающую среду. В этой ситуации системы управления ХТП должны обеспечить безопасность химических производств, постоянно контролировать состав и качество перерабатываемого сырья и веществ, состав и качество конечных продуктов, окружающей среды.
Исходя из изложенных особенностей ХТП, перечислим функции, выполняемые устройствами автоматического управления в химической технологии.
|
|
|
1.Диагностика оборудования, измерение и контроль технологических параметров и определение причин возникновения аварийных ситуаций.
2.Сигнализация (световая и звуковая) при отклонении технологических параметров от заданных режимов и аварийном состоянии оборудования.
3.Логическое управление блокировками и защитой; аварийное отключение (переключение) технологического оборудования.
4. Управление (регулирование) технологическими параметрами.
Автоматическое регулирование является частным случаем более общего понятия автоматического управления. Теория автоматического регулирования является основой построения первого уровня управления, а теория автоматического управления — основа всей иерархической структуры информационных процессов управления сложными химико-технологическими объектами.
Теория автоматического управления позволяет изучить свойства системы, которые принято называть: наблюдаемостью, идентифицируемостью, управляемостью и адаптируемостью. АСУ представляет собой сложную динамическую систему, поведение которой в реальных условиях требует соответственно сложного математического описания, больших затрат времени на программирование и т. д.
Сущность разработки АСУ заключается в том, чтобы, располагая сведениями о свойствах объекта управления (статических и динамических), а также заданными требованиями к системе управления в целом (запасу устойчивости, надежности, усилению по мощности, качеству и т. д.), подобрать соответствующую элементную базу и составить схему управления, способную действовать в реальных условиях химического производства в соответствии с поставленными требованиями.
Система автоматического регулирования, как правило, предполагает наличие достаточно сложного логического устройства (автоматического регулятора — управляющего устройства, осуществляющего автоматическое регулирование с помощью аппаратурной реализации алгоритмов управления, вырабатывающего регулирующее воздействие (в соответствии с требуемым законом регулирования.
|
|
|
ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКИЙ ЭФФЕКТ И РОЛЬ УПРАВЛЕНИЯ В ОБЕСПЕЧЕНИИ БЕЗОПАСНОСТИ ХИМИЧЕСКОГО И ПИЩЕВОГО ПРОИЗВОДСТВА И ОХРАНЫ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ
Многие химические и нефтехимические производства — производства сложные, непрерывные, многостадийные, с наличием агрессивных сред, взрывопожароопасных зон и т. д. Каков же должен быть уровень автоматического управления, какие АСУ нужны собственнику, какой критерий оценки эффективности управления для него является самым важным? Наиболее распространенным критерием оценки эффективности управления является прибыль.
Примечание
Уровень автоматического управления химическим предприятием определяется экономическими условиями. Затраты на автоматическое управление ХТП могут доходить до 20 % от стоимости основного технологического оборудования. Практический опыт последних лет показывает, что внедрение АСУ повышает технико-экономические показатели производства даже без замены или реконструкции основных фондов. Автоматизация технологических объектов управления повышает их технико-экономические показатели (ТЭП) на 3...5 % при значительном (на 30...40 %) снижении трудоемкости получения целевого продукта. Например, на одном из предприятий в производстве аммофоса в результате реконструкции производства и АСУ была увеличена производительность технологического оборудования на 16 %, улучшено качество аммофоса, отмечено снижение на 10 % выбросов аммиака в окружающую среду.
Автоматическое управление обеспечивает большую степень безопасности, надежности и экономичности работы объектов управления, что сокращает время простоев технологического оборудования, предотвращает загрязнение окружающей среды.
В современных условиях информационные технологии становятся важнейшей составной частью ХТП, во многом определяющих хозяйственные риски. Например, для анализа экологической обстановки, идентификации источника выброса и принятия решения по управлению качеством атмосферного воздуха разработаны ситуационные советующие системы на основе алгоритмов нечетких логических рассуждений, позволяющие выполнять оперативный анализ состояния воздушной среды.
|
|
|
Лекция 2.
Понятие АСУТП.
С развитием промышленности в конце XX века резко возросла потребность в высокоэффективных и высоконадежных автоматизированных системах управления технологическими процессами.
Данная потребность обусловлена следующими факторами:
- возросшие требования к повышению качества технологического процесса;
- рост дефицита природных ресурсов;
- появление мощных, компактных, недорогих измерительных и управляющих устройств;
- повышение степени автоматизации производства и перераспределение функций между человеком и аппаратурой.
В настоящее время в России остро стоит вопрос замены устаревших автоматизированных систем управления технологическим процессом (АСУТП). Основными причинами, обуславливающими необходимость замены, являются следующие:
1) невозможность реализации на существующем оборудовании современных подходов к автоматизации, таких как использование компьютерных технологий, микропроцессорной техники и программных систем;
2) устаревшая элементная база существующих на предприятиях АСУТП, как правило, уже не выпускаемая промышленностью;
3) модернизация устаревших АСУТП стоит дороже их полной замены.
Однако, полная замена устаревших АСУТП и установка современных систем «с нуля» требует больших финансовых вложений. В связи с этим часто используется вариант установки относительно недорогих наращиваемых локальных систем, которые постепенно вытесняют старые.
Управление производственным процессом выполняют АСУТП, нижний уровень которых занимается непосредственно управлением технологическими процессами и оборудованием, а верхний уровень представляет собой системы диспетчерского управления.
Современные АСУТП представляют собой аппаратно-программные комплексы, которые выполняют следующие основные функции:
- сбор информации от объекта управления;
|
|
|
- передача, преобразование и обработка информации;
- формирование управляющих команд и выполнение их на управляемом объекте.
В автоматизированной системе управления человек выполняет следующие основные функции:
- анализ текущего состояния производственного процесса;
- регулировка параметров производственного процесса;
- обработка нештатных, аварийных ситуаций.
Требования к АСУТП:
1. универсальность (широкий спектр областей применения);
2. низкая стоимость;
3. возможность наращивания системы и объединения нескольких систем в одну;
4. удобство работы оператора (наглядность);
5. простота разработки и внедрения;
6. высокая степень ремонтопригодности и взаимозаменяемости элементов.
Примерная структура современного автоматизированного предприятия и место АСУТП в ней показано на рисунке 1.
Первый уровень, полевой уровень (уровень ввода-вывода), включает набор датчиков и исполнительных устройств, встраиваемых в конструктивные узлы технологического оборудования и предназначенных для сбора первичной информации и реализации исполнительных воздействий.
Современные интеллектуальные датчики выполняют, кроме процесса измерения, преобразования измеряемых сигналов в типовые аналоговые и цифровые значения, самодиагностику своей работы, дистанционную настройку диапазона измерения, первичную обработку измерительной информации, иногда еще ряд достаточно простых, типовых алгоритмов контроля и управления. Они имеют интерфейсы к стандартным/типовым полевым цифровым сетям, что делает их совместимыми с практически любыми современными средствами автоматизации, и позволяет информационно общаться с этими средствами и получать питание от блоков питания этих средств.
Второй уровень, уровень контроля и управления ТП (уровень непосредственное управления), служит для непосредственного автоматического управления технологическими процессами с помощью промышленных контроллеров и характеризуется следующими показателями:
- предельно высокой реактивностью режимов реального времени;
- предельной надежностью (на уровне надежности основного оборудования);
- возможностью встраивания в основное оборудование;
- функциональной полнотой модулей УСО;
- возможностью автономной работы при отказах комплексов управления верхних уровней;
- возможностью функционирования в цеховых условиях.
В промышленные контроллеры загружаются программы и данные из ЭВМ третьего уровня, уставки, обеспечивающие координацию и управление агрегатом по критериям оптимальности управления технологическим процессом в целом, выполняется вывод на третий уровень управления служебной, диагностической и оперативной информации, т. е. данных о состоянии агрегата, технологического процесса.
|
|
|
Этот уровень управления реализуется, например, на промышленных контроллерах Apacs, DeltaV, Centum, Simatic и др.
Рис.1. Структура автоматизированного предприятия.
Третий уровень, уровень диспетчерского управления ТП (SCADA-уровень ─ Supervisory Control and Data Acquisition - сбор данных и диспетчерское управление) или еще называют уровнем человеко-машинного интерфейса HMI/MMI (Human-Machine Interface / Man-Machine Interface), предназначен для отображения (или визуализации) данных в производственном процессе и оперативного комплексного управления различными агрегатами, в том числе и с участием диспетчерского персонала.
Этот уровень управления должен обеспечивать:
- диспетчерское наблюдение за технологическим процессом по его графическому отображению на экране в реальном масштабе времени;
- расчет и выбор законов управления, настроек и установок, соответствующих заданным показателям качества управления и текущим (или прогнозным) параметрам объекта управления;
- оперативное сопровождение моделей объектов управления типа «агрегат», «технологический процесс», корректировку моделей по результатам обработки информации от второго уровня;
- синхронизацию и устойчивую работу систем типа «агрегат» для группового управления технологическим оборудованием;
- ведение единой базы данных технологического процесса;
- связь с четвертым уровнем.
Отвечая этим требованиям, ЭВМ на третьем уровне управления должны иметь достаточно высокую производительность как при решении задач в реальном масштабе времени, так и при обработке графической информации, обеспечивая работу в реальном времени с базами данных среднего объема и с расширенным набором интеллектуальных видеотерминалов.
Третий уровень управления реализуется на базе специализированных промышленных компьютеров, или в ряде случаев на базе персонального компьютера. Диспетчерский интерфейс реализуется SCADA-системами, например InTouch, iFix, Genesis32, WinCC и др.
Машины третьего уровня должны объединяться в однородную локальную сеть предприятия (типа Ethernet) с выходом на четвертый уровень управления.
Четвертый уровень, уровень управления производством MES (Manufacturing Execution System) - средства управления производством -характеризуется необходимостью решения задач оперативной упорядоченной обработки первичной информации из цеха и передачи этой информации на верхний уровень планирования ресурсов предприятия. Решение этих задач на данном уровне управления обеспечивает оптимизацию управления ресурсами цеха как единого организационно-технологического объекта по заданиям, поступающим с верхнего уровня, и при оперативном учете текущих параметров, определяющих состояние объекта управления. Решение этих задач возлагается обычно на серверы в локальных сетях предприятия.
Пятый уровень, уровень планирование ресурсов производства MRP (Manufacturing Resource Planning) и планирование ресурсов предприятия ERP (Enterprise Resource Planning).
Задачи, решаемые на этом уровне, в аспекте требований, предъявляемых к ЭВМ, отличаются главным образом повышенными требованиями к ресурсам (например, для ведения единой интегрированной - централизованной или распределенной, однородной или неоднородной - базы данных, планирования и диспетчирования на уровне предприятия в целом, автоматизации обработки информации в основных и вспомогательных административно-хозяйственных подразделениях предприятия: бухгалтерский учет, материально-техническое снабжение и т.п.). Обычно для решения задач данного уровня выбирают универсальные ЭВМ, а также многопроцессорные системы повышенной производительности.
Наиболее известные системы этого уровня предлагаются компаниями SAP, Oracle, BAAN и др.
Шестой уровень, уровень высшего менеджмента (OLAP-системы – On-Line Analytical Processing – оперативный анализ данных). Информационные системы масштаба предприятия, как правило, содержат приложения, предназначенные для комплексного многомерного анализа данных, их динамики, тенденций и т.п. Такой анализ в конечном итоге призван содействовать принятию решений. Нередко эти системы так и называются — системы поддержки принятия решений.
Системы поддержки принятия решений обычно обладают средствами предоставления пользователю агрегатных данных для различных выборок из исходного набора в удобном для восприятия и анализа виде. Этот уровень управления должен обеспечивать следующие требования к приложениям для многомерного анализа:
· предоставление пользователю результатов анализа за приемлемое время (обычно не более 5 с), пусть даже ценой менее детального анализа;
· возможность осуществления любого логического и статистического анализа, характерного для данного приложения, и его сохранения в доступном для конечного пользователя виде;
· многопользовательский доступ к данным с поддержкой соответствующих механизмов блокировок и средств авторизованного доступа;
· многомерное концептуальное представление данных, включая полную поддержку для иерархий и множественных иерархий (это — ключевое требование OLAP);
· возможность обращаться к любой нужной информации независимо от ее объема и места хранения.
Как показано на рисунке 1, все уровни автоматизированного предприятия являются связанными между собой при помощи различных аппаратных интерфейсов и соответствующих протоколов обмена данными. При этом на всех уровнях могут быть использованы как универсальные, так и специализированные протоколы. Однако интеграция отдельных АСУТП в единую систему позволяет говорить о комплексной автоматизации производства. При этом связь уровня АСУТП с уровнем АСУП дает возможность планировать всю деятельность предприятия в комплексе – от поставки сырья до реализации готовой продукции. На уровне высшего руководства деятельность всего предприятия представляется прозрачной.
|
|
|
