 |
Тригонометрические функции. 1 глава
|
|
|
|
Лекция №1.
Тема: “Введение. Основные понятия и определения. Функции АСУТП. Состав АСУТП. Общие технические требования. Классификация АСУТП. Архитектура АСУТП.”
1.1 Основные понятия и определения.
Автоматизированная система управления технологическим процессом (АСУТП) предназначена для выработки и реализации управляющих воздействий на технологический объект управления.
Технологический объект управления (ТОУ) – это совокупность технологического оборудования и реализованного на нем по соответствующим инструкциям или регламентам технологического процесса производства. К технологическим объектам управления относятся:
– технологические агрегаты и установки (группы станков), реализующие самостоятельный технологический процесс;
– отдельные производства (цехи, участки) или производственный процесс всего промышленного предприятия, если управление этим производством носит в основном технологический характер, т. е. заключается в реализации рациональных режимов работы взаимосвязанных агрегатов (участков, производств).
Совместно функционирующие ТОУ и управляющая им АСУТП образуют автоматизированный технологический комплекс (ATК). Автоматизированная система управления технологическим процессом - человеко-машинная система управления, обеспечивающая автоматизированный сбор и обработку информации, необходимой для оптимизации управления технологическим объектом в соответствии с принятым критерием. Такое определение АСУТП подчеркивает наличие в ее составе современных автоматических средств сбора и обработки информации, в первую очередь средств вычислительной техники; роль человека в системе как субъекта труда, принимающего содержательное участие в выработке решений по управлению; реализацию в системе процесса обработки технологической и технико-экономической информации; цель функционирования АСУТП, заключающуюся в оптимизации работы технологического объекта управления по принятому критерию (критериям) управления путем соответствующего выбора управляющих воздействий.
|
|
|
Критерий управления АСУТП – это соотношение, характеризующее качество функционирования технологического объекта управления в целом и принимающее конкретные числовые значения в зависимости от используемых управляющих воздействий. Таким образом, критерием управления обычно является технико-экономический показатель (например, себестоимость выходного продукта при заданном его качестве, производительность ТОУ при заданном качестве выходного продукта и т. п.) или технический показатель (например, параметры процесса, характеристики выходного продукта).
Система управления ТОУ является АСУТП в том случае, если она осуществляет управление ТОУ в целом в темпе протекания технологического процесса и если в выработке и реализации решений по управлению, участвуют средства вычислительной техники и другие технические средства и человек-оператор.
АСУТП в системе управления промышленным предприятием. АСУТП как компоненты общей системы управления промышленным предприятием предназначены для целенаправленного ведения технологических процессов и обеспечения смежных и вышестоящих систем управления оперативной и достоверной технико-экономической информацией.
АСУТП, созданные для объектов основного и вспомогательного производства, представляют собой низовой уровень автоматизированных систем управления на предприятии. АСУТП могут использоваться для управления отдельными производствами, включающими в свой состав взаимосвязанные ТОУ. АСУТП производства обеспечивает оптимальное (рациональное) управление как всеми АТК и ТОУ, так и вспомогательными процессами (приемкой, транспортировкой, складированием входных материалов, заготовок и готовой продукции и т. д.), входящими в состав данного производства.
|
|
|
Организация взаимодействия АСУТП с системами управления высших уровней определяется наличием на промышленном предприятии автоматизированной системы управления предприятием (АСУП) и автоматизированных систем организационно-технологического управления (АСОУТ). АСУТП получает от соответствующих подсистем АСУП или служб управления предприятием непосредственно или через АСУОТ задания и ограничения (номенклатуру подлежащих выпуску продуктов или изделий, объемы производства, технико-экономические показатели, характеризующие качество функционирования АТК, сведения о наличии ресурсов) и обеспечивает подготовку и передачу этим системам необходимой для их работы технико-экономической информации, в частности о выполнении заданий, продукции, оперативной потребности в ресурсах, состоянии АТК (состоянии оборудования, ходе технологического процесса, его технико-экономических показателях и т. п.).
При наличии на предприятии систем технической и (или) технологической подготовки производства обеспечивается взаимодействие АСУТП с этими системами. АСУТП получают от них техническую, технологическую и другую информацию, необходимую для проведения заданных технологических процессов, и направляют в эти системы фактическую оперативную информацию, необходимую для их функционирования, в том числе для корректировок регламентов проведения технологических процессов.
При создании на предприятии комплексной системы управления качеством продукции АСУТП являются ее исполнительными подсистемами, обеспечивающими заданное качество продукции ТОУ и подготовку фактической оперативной информации о ходе технологических процессов (статистический контроль и т.д.).
Перечень, форма представления и режим обмена информацией между АСУТП и взаимосвязанными с ней другими системами управления (как автоматизированными, так и неавтоматизированными) определяются в каждом конкретном случае в зависимости от специфики производства, его организации и принятой структуры управления им.
|
|
|
1.2 Функции АСУТП.
При создании АСУТП должны быть определены конкретные цели функционирования системы и ее назначение в общей структуре управления предприятием. Такими целями, например, могут быть:
– экономия топлива, сырья, материалов и других производственных ресурсов;
– обеспечение безопасности функционирования объекта;
– повышение качества выходного продукта (изделия) или обеспечение заданных значений параметров выходных продуктов (изделий);
– снижение затрат живого труда; достижение оптимальной загрузки (использования) оборудования;
– оптимизация режимов работы технологического оборудования (в том числе, маршрутов обработки в дискретных производствах) и т. д.
Функция АСУТП – это совокупность действий системы, направленных на достижение частной цели управления.
Совокупность действий системы представляет собой определенную и описанную в эксплуатационной документации последовательность операций и процедур, выполняемых частями системы. Следует отличать функции АСУТП в целом от функций, выполняемых всем комплексом технических средств системы или его отдельными устройствами.
Функции АСУТП подразделяются на управляющие, информационные и вспомогательные.
Управляющая функция АСУТП – это функция, результатом которой являются выработка и реализация управляющих воздействий на технологический объект управления.
К управляющим функциям АСУТП относятся:
– регулирование (стабилизация) отдельных технологических переменных;
– однотактное логическое управление операциями или аппаратами;
– программное логическое управление группой оборудования;
– оптимальное управление установившимися или переходными технологическими режимами или отдельными участками процесса;
– адаптивное управление объектом в целом (например, самонастраивающимся комплексно-автоматизированным участком станков с числовым программным управлением).
Информационная функция АСУТП – это функция системы, содержанием которой являются сбор, обработка и представление информация о состоянии АТК оперативному персоналу или передача этой информации для последующей обработки. К информационным функциям АСУТП относятся:
|
|
|
– централизованный контроль и измерение технологических параметров;
– косвенное измерение (вычисление) параметров процесса (технико-экономических показателей, внутренних переменных);
– формирование и выдача данных оперативному персоналу АСУТП или (АТК);
– подготовка и передача информации в смежные системы управления;
– обобщенная оценка и прогноз состояния АТК и его оборудования.
Отличительная особенность управляющих и информационных функций АСУТП их направленность на конкретного потребителя (объект управления, оперативный персонал, смежные системы управления).
Вспомогательные функции АСУТП – это функции, обеспечивающие решение внутрисистемных задач. Вспомогательные функции не имеют потребителя вне системы и обеспечивают функционирование АСУТП (функционирование технических средств системы, контроль за их состоянием, хранением информации и т. п.).
В зависимости от степени участия людей в выполнении функций системы различаются два режима реализации функций: автоматизированный и автоматический. Автоматизированный режим реализации управляющих функций характеризуется участием человека в выработке (принятии) решений и (или) их реализации. При этом возможны следующие варианты:
– ручной режим, при котором комплекс технических средств представляет оперативному персоналу контрольно-измерительную информацию о состоянии ТОУ, а выбор и осуществление управляющих воздействий производит человек-оператор;
– режим советчика, при котором комплекс технических средств вырабатывает рекомендации по управлению, а решение об их использовании принимается и реализуется оперативным персоналом;
– диалоговый режим, при котором оперативный персонал имеет возможность корректировать постановку и условия задачи, решаемой комплексом технических средств системы при выработке рекомендаций по управлению объектом.
Автоматический режим реализации управляющих функций предусматривает автоматическую выработку и реализацию управляющих воздействий. При этом различаются:
– режим косвенного управления, когда средства вычислительной техники автоматически изменяют уставки и (или) параметры настройки локальных систем автоматического управления (регулирования);
– режим прямого (непосредственного) цифрового (или аналого-цифрового) управления, когда управляющее вычислительное устройство формирует воздействие на исполнительные механизмы.
|
|
|
Автоматизированный режим реализации АСУТП информационных функций АСУТП предусматривает участие людей в операциях по получению и обработке информации. В автоматическом режиме все необходимые процедуры обработки информации реализуются без участия человека. АСУТП представляют собой системы управления, качественно отличные от систем автоматического регулирования (САР), предназначенных для стабилизации режимов процессов и агрегатов.
На рис. 1.1 приведены структуры САР и АСУТП. Системы автоматического регулирования, как правило, представляют собой замкнутые системы управления, функционирующие без участия человека.
Рис. 1.1 Сравнение промышленных систем автоматизации
Основная цель САР – оптимальная отработка задания, обеспечивающего стабилизацию требуемой физической величины или технологического параметра. При этом значение задания считается известным и может быть как постоянным, так и изменяющимся по заранее известному закону. Структура АСУТП, в отличие от САР, предполагает непременное участие человека – оператора в принятии решений по управлению объектом. Структура АСУТП обязательно включает контур формирования оператором управляющих воздействий, поскольку цель АСУТП – реализация оптимального режима работы объекта.
1.3 Состав АСУТП.
Для выполнения функций АСУТП необходимо взаимодействие следующих ее составных частей:
– технического обеспечения (ТО);
– программного обеспечения (ПО);
– информационного обеспечения (ИО);
– организационного обеспечения (ОО);
– оперативного персонала (ОП).
Техническое обеспечение АСУТП представляет собой полную совокупность технических средств, достаточную для функционирования АСУТП и реализации системой всех ее функций. В состав комплекса технических средств (КТС АСУТП) входят вычислительные и управляющие устройства; средства получения (датчики), преобразования, хранения, отображения и регистрации информации (сигналов); устройства передачи сигналов и исполнительные устройства.
Программное обеспечение АСУТП – совокупность программ, необходимая для реализации функций АСУТП, заданного функционирования комплекса технических средств АСУТП и предполагаемого развития системы. Программное обеспечение АСУТП подразделяется на общее ПО и специальное программное обеспечение. Общее программное обеспечение АСУТП поставляется в комплекте со средствами вычислительной техники. К общему программному обеспечению АСУТП относятся необходимые в процессе функционирования и развития системы программы, программы для автоматизации разработки программ, компоновки программного обеспечения, организации функционирования вычислительного комплекса и другие служебные и стандартные программы (организующие программы, транслирующие программы, библиотеки стандартных программ и др.). Специальное программное обеспечение АСУТП разрабатывается или заимствуется из соответствующих фондов при создании конкретной системы и включает программы реализации основных (управляющих и информационных) и вспомогательных (обеспечение заданного функционирования КТС системы, проверка правильности ввода информации, контроль за работой КТС системы и т. п.) функций АСУТП. Специальное программное обеспечение АСУТП разрабатывается на базе и с использованием программ общего программного обеспечения. Программы специального программного обеспечения, имеющие перспективу многократного использования, после промышленной проверки могут передаваться в соответствующие фонды или заводам-изготовителям вычислительной техники для включения их в состав общего программного обеспечения.
Информационное обеспечение АСУТП включает:
– информацию, характеризующую состояние автоматизированного технологического комплекса;
– системы классификации и кодирования технологической и технико-экономической информации;
– массивы данных и документов, необходимых для выполнения всех функций АСУТП, в том числе нормативно-справочную информацию.
Организационное обеспечение АСУТП представляет собой совокупность описаний функциональной, технической и организационной структур, инструкций и регламентов для оперативного персонала АСУТП, обеспечивающее заданное функционирование оперативного персонала в составе АТК.
В состав оперативного персонала АСУТП входят:
– технологи - операторы, осуществляющие контроль за работой и управление ТОУ с использованием информации и рекомендаций по рациональному управлению, выработанных комплексом технических средств АСУТП;
– эксплуатационный персонал АСУТП, обеспечивающий правильность функционирования комплекса технических средств АСУТП.
Создание АСУТП возможно осуществлять по подсистемам. Подсистема АСУТП – это часть системы, выделенная по функциональному или структурному признаку. Функциональный признак позволяет делить систему, например, на управляющую и информационную подсистемы или ряд подсистем в соответствии с целями.
Структурный признак позволяет делить АСУТП на подсистемы, обеспечивающие управление частью объекта или соответствующие самостоятельным частям комплекса технических средств и т. д.
1.4 Общие технические требования.
К АСУТП в целом предъявляются следующие основные требования. Она должна:
– осуществлять управление ТОУ в целом в темпе протекания технологического процесса и в выработке и реализации решений по управлению должны участвовать средства вычислительной техники и человек-оператор;
– обеспечивать управление ТОУ в соответствии с принятыми критериями эффективности функционирования АТК (критериями управления АСУТП);
– выполнять все возложенные на нее функции с заданными характеристиками и показателями качества управления;
– обладать требуемым уровнем надежности;
– обеспечивать возможность взаимосвязанного функционирования с системами управления смежных уровней иерархии и другими АСУТП;
– отвечать эргономическим требованиям, предъявляемым к системам, в частности к способам и форме;
– обладать требуемыми метрологическими характеристиками измерительных каналов;
– допускать возможность модернизации и развития в пределах, предусмотренных техническим заданием (ТЗ) на создание АСУТП;
– нормально функционировать в условиях, указанных в ТЗ на систему;
– обеспечивать заданный средний срок службы с учетом проведения восстановительных работ, указанных в технической документации на основные составные части АСУТП.
1.5 Классификация АСУТП.
При планировании, проведении и обобщении разработок АСУТП следует иметь в виду, что эти системы весьма разнообразны. Для решения ряда научных, технических и организационных вопросов необходимо пользоваться общей классификацией АСУТП, т. е. правилами разбиения всего множества этих систем на такие подмножества (классификационные группы), в пределах которых все входящие в них АСУТП одинаковы, близки или похожи в том или ином отношении.
АСУТП как объекты классификации характеризуются многими существенными факторами и показателями, каждый из которых может выступать в роли классификационного признака. Поэтому общая классификация АСУТП состоит из ряда частных классификаций, проводимых по одному из таких признаков. В зависимости от поставленных целей необходимо пользоваться различными классификационными признаками или их разными сочетаниями. Приводимая ниже классификация АСУТП может использоваться в основном с целями:
– выбора систем-аналогов на ранних этапах разработки АСУТП;
– оценки необходимых ресурсов при укрупненном планировании работ по созданию АСУТП;
– определения качества (научно-технического уровня) АСУТП;
– определения капиталоемкости АСУТП в условных единицах.
К основным классификационным признакам АСУТП относятся:
– уровень, занимаемый ТОУ и АСУТП в структуре предприятия;
– характер протекания технологического процесса во времени;
– показатель условной информационной мощности;
– уровень функциональной надежности АСУТП;
– тип функционирования АСУТП.
Классификации по каждому из указанных признаков (а также по любым их сочетаниям) могут рассматриваться и использоваться как независимые: конкретному индексу одного (или нескольких) признака могут соответствовать любые индексы других признаков.
По уровню, занимаемому в структуре предприятия, АСУТП классифицируется в соответствии с табл.1.1.
Таблица 1.1 Классификация АСУТП по уровню, занимаемому в организационно-производственной иерархии
| Класс АСУТП | ТОУ |
| АСУТП нижнего уровня | Технологические агрегаты, установки, участки |
| АСУТП верхнего уровня | Группы установок, цехи, производства; не включают АСУТП нижнего уровня |
| АСУТП многоуровневые | То же, что в классе 2, но включая АСУТП нижнего уровня |
Характер протекания управляемого технологического процесса во времени определяется непрерывностью (или дискретностью) поступления сырья и реагентов, наличием (или отсутствием) длительных установившихся и переходных режимов функционирования ТОУ, наличием и длительностью дискретных операций по переработке входных потоков материалов. По этому признаку АСУТП классифицируются в соответствии с табл. 1.2.
Таблица 1.2. Классификация АСУТП по характеру протекания управляемого технологического процесса во времени
| Класс | Характер технологического процесса |
| АСУ непрерывным технологическим процессом | Непрерывный с длительным поддержанием режимов, близких к установившимся, и практически безостановочной подачей сырья и реагентов |
| АСУ непрерывно-дискретным технологическим процессом | Сочетание непрерывных и прерывистых режимов функционирования различных технологических агрегатов или на различных стадиях процесса (в том числе периодические процессы) |
| АСУ дискретным технологическим процессом | Прерывистый, с несущественной для управления длительностью технологических операций |
Условная информационная мощность ТОУ характеризуется числом технологических переменных, измеряемых или контролируемых в данной АСУТП. В зависимости от значения этого показателя АСУТП подразделяются на классы (табл. 1.3).
Таблица1.3 – Классификация АСУТП по условной информационной мощности
| Условная информационная мощность | Число измеряемых или контролируемых технологических переменных | |
| минимальное | максимальное | |
| Наименьшая | ||
| Малая | ||
| Средняя | ||
| Повышенная | ||
| Большая | Не ограничено |
Требуемый (или достигнутый) уровень функциональной надежности АСУТП решающим образом влияет на структуру и многие технические характеристики системы, а также на реальные значения показателей ее эффективности Укрупненная классификация АСУТП по уровню функциональной надежности приведена в табл.1.4
| Уровень функциональной надежности | Краткая характеристика уровня надежности |
| Минимальный | Практически не регламентируется, не требует специальных мер |
| Средний | Регламентируется, но отказы в АСУТП не приводят к остановам ТОУ |
| Высокий | Жестко регламентируется, так как отказы в АСУТП могу привести к остановам ТОУ или авариям |
Тип функционирования АСУТП приближенно характеризуется совокупностью автоматически выполняемых информационных и управляющих функций системы. Классификация АСУТП по этому признаку дана в табл.1.5.
Таблица1.5 – Классификация АСУТП по типу функционирования
| Условное наименование типа функционирования АСУТП | Краткая характеристика особенностей функционирования системы |
| Информационный | Автоматически выполняются только информационные функции, решения по управлению принимает и реализует оператор |
| Локально-автоматический | автоматически выполняются информационные функции и функции локального управления (регулирования). Решения по управлению процессом в целом принимает и реализует оператор |
| Советующий | Автоматически выполняются функции информационные, локального управления и с помощью модели процесса формируются советы по выбору управляющих воздействий с учетом критерия |
| Автоматический | Все функции АСУТП, включая управление процессом по критерию, выполняются автоматически |
1.6 Архитектура АСУТП
В прошлом инженеры должны были выбирать между двумя взаимоисключающими архитектурами - централизованной или распределенной. К сожалению, ни одна из них не может удовлетворять потребностям современного предприятия. В начале 80-х г.г. централизованная архитектура приобрела популярность, поскольку один большой компьютер мог осуществлять все управление производственным процессом и хранить данные в единой БД. Все операторы в такой системе имели одинаковый доступ к данным, поскольку они хранились в одном месте, и только один компьютер нуждался в обновлении при изменении требований производственного процесса.
Рис.1.2 – Централизованная архитектура.
Однако эта архитектура имеет ряд серьезных недостатков:
– начальные инвестиции слишком высоки для небольших приложений;
– фиксированная емкость системы не допускает последовательного увеличения системы при расширении предприятия или изменении конфигурации;
– резервирование может быть достигнуто только дублированием всей системы в целом;
– требования к технической квалификации обслуживающего персонала очень высоки и часто требуют дорогостоящего обучения.
При полностью распределенной архитектуре, популярной в конце 80-х г.г., задачи управления и сбора данных выполняются на нескольких небольших компьютерах (как правило, ПК). Каждый компьютер решает собственную задачу и работает со своей базой данных (БД). Распределенная система является весьма гибкой при малой величине начальных инвестиций. Требования к квалификации операторов невысоки, и специализированное обучение требуется в ограниченном объеме.
Рис.1.3 – Распределенная архитектура
Резервирование может применяться выборочно к задачам, критически важным для предприятия. Такая система решает проблемы, присущие централизованным архитектурам управления. Однако распределенные системы также имеют свои недостатки:
– обработка данных происходит на каждом компьютере, что приводит к крайне неэффективному использованию вычислительных мощностей;
– отсутствует оптимизация запросов к данным производства, если два оператора запрашивают одни и те же сведения, запрос повторяется дважды.
Преимущества централизованной архитектуры являются недостатками распределенной системы и наоборот. Осознание того факта, что необходим принципиально иной подход к построению АСУТП, привело в начале 90-х г.г. к появлению новых разработок.
Архитектура клиент-сервер. Основная проблема таких систем заключается в способе распределения БД. Когда ПК объединены в локальную сеть (ЛВС), БД может быть централизована, а данные поступают к индивидуальным узлам. Если необходимо извлечь определенную информацию из БД непосредственное обращение к БД и поиск в ней осуществляются только компьютером, ответственным за управление этой базой. Такой компьютер, обладающий необходимым интерфейсом по обработке запросов, функционирует как сервер информации. Когда узел отображения (или иной клиент) посылает запрос к БД, он не должен осуществлять поиск в базе самостоятельно, а лишь запрашивать эти данные у сервера. Это и составляет основу архитектуры клиент-сервер.
Для понимания архитектуры клиент-сервер, необходимо иметь четкое представление об основных задачах: ввод/вывод; отображение; тревоги; графики; отчеты.
Каждая из этих задач управляет собственной БД независимо от других. Такое разделение БД поддерживается даже тогда, когда все задачи исполняются на одном и том же компьютере. Ввод/вывод является интерфейсом между системой управления-контроля и производственным процессом. Он оптимизирует и управляет процессом обмена данными на предприятии между физическими устройствами. Тревоги отвечают за генерацию сигналов тревог путем анализа состояния дискретных переменных и сравнения значений аналоговых переменных с заданным порогом. Графики управляют всеми данными, которые необходимо отображать с течением времени. Собранные и обработанные они посылаются задаче отображения по запросу последней. Отчеты. Задача по обработке отчетов собирает необходимые данные, в том числе из тревог и графиков, и генерирует отчеты по заданному критерию. Отчеты могут вырабатываться периодически, при наступлении некоторого события или инициироваться оператором. Отображение информации является связующим звеном с оператором, основной составляющей ЧМИ. Этот процесс управляет всеми данными, предназначенными для отслеживания оператором и выполнения действий, инициированных оператором. В рамках отображения осуществляется доступ ко всем тревогам, графикам и отчетам.
Каждый из описанных выше процессов функционирует независимо от других. Ввод/вывод, тревоги, графики и отчеты имеют общую черту - поскольку они нуждаются в доступе к одним и тем же данным производственного процесса; такие задачи лучше решаются в рамках централизованной архитектуры. Задача отображения больше подходит распределенной архитектуре, поскольку, как правило, в системе присутствует более одного оператора. Клиент-серверная архитектура - с распределенными задачами как клиентами и общими задачами как серверами – оптимизирует распределение информации между БД.
Масштабируемая архитектура. Поскольку архитектура клиент-сервер позволяет распределять подзадачи, конструкторы системы не связаны обычными аппаратными ограничениями. Результатом является масштабируемая архитектура, которая, может быть адаптирована к приложениям любого размера - решения, устраняющего множество ограничений обычных систем и обеспечивающего результаты, до сих пор невозможные в АСУ.
|
|
|
