Автоматические системы регулирования

От систем управления автоматическими производствами типа цехов и заводов – автоматов (являющихся высшей ступенью автоматизации) АСУТП отличается значительной степенью участия человека в процессах  управления. По мере технического совершенствования  технологических объектов и развития АСУТП эти различия уменьшаются.

В настоящее время  переход к более полной автоматизации  тормозится несовершенством технологических  процессов (наличием немеханизированных технологических операций, низкой надежностью  технологического оборудования и т.п.), недостаточной надежностью средств автоматизации и вычислительной техники, трудностями математического описания задач, решаемым человеком в АСУТП, и др. причинами.

Сформированы основные представления об АСУТП, их функциях и принципах построения; созданы документы, регламентирующие порядок их разработки, производства, внедрений и эксплуатации. Каждая АСУТП характеризуется целью управления, функциональной, технической и организационной структурами.

При построении АСУТП  необходимо обеспечить разумное сочетание цели ее функционирования (задаваемой критерием управления) и множества взаимосвязанных функций, достаточного для достижения главной цели.

Глобальная  цель управления ТОУ с помощью АСУТП состоит в поддержании экстремального значения критерия управления при выполнении всех условий, определяющих множество допустимых значений управляющих воздействий. Прямое решение такой задачи оптимального управления возможно лишь для отностительно простых ТОУ. В большинстве же случаев приходится производить декомпозицию глобальной цели управления на ряд частных целей; для достижения каждой из них требуется решение более простой задачи управления меньшей размерности.

 

Функции АСУТП

Функцией  АСУТП называют действия системы, направленные на достижение одной из частных целей управления. Частные цели управления, как и реализующие их функции, находятся в определенном соподчинении, образуя функциональную структуру АСУТП. Элементами этой структуры являются отдельные функции, связи между которыми указывают порядок их выполнения. Функции АСУТП делятся на информационные, управляющие и вспомогательные.

К информационным функциям относятся те, цель которых – сбор, преобразование и хранение информации о состоянии ТОУ, представление этой информации оперативному персоналу или передача ее для последующей обработки.

Основными информационными  функциями являются:

- первичная обработка  информации о текущем значении  ТОУ;

- обнаружение отклонений  технологических параметров и  показателей состояния оборудования  от установленных значений;

- расчет значений неизменяемых  величин и показателей (косвенные  измерения, расчет ТЭП, прогнозирование  и т.д.);

- оперативное отображение  и регистрация информации, обмен  информацией с оперативным персоналом;

- обмен информацией  со смежными и вышестоящими АСУ.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис.1. Блок – схема автоматизированного  технологического комплекса: 0 – отчет; 3 – задание; И – информация; РУ – ручное управление; ЛРУ – управление при помощи локальных регуляторов; НЦУ – непосредственное цифровое управление.

 

Управляющие функции обеспечивают поддержание экстремального значения критерия управления в условиях изменяющейся производственной ситуации. Они делятся на две группы:

- первые служат для  определения оптимальных управляющих  воздействий, при которых поддерживается оптимальный (или близкий к нему, т.е. рациональный) режим технологического процесса;

- ко второй группе  относятся функции, обеспечивающие  реализацию этого режима путем  формирования управляющих воздействий  на ТОУ.

Управляющие функции  второй группы соответствуют традиционным функциям локальных систем автоматизации – регулированию (стабилизации или программному регулированию) и программно – логическому управлению технологическими процессами.

Вспомогательные функции обеспечивают решение внутрисистемных задач.

 

Обеспечение АСУТП

Для реализации функций  АСУТП необходимы ее техническое, программное, информационное, организационное обеспечение, а также оперативный персонал.

Техническое обеспечение АСУТП составляет комплекс технических средств (КТС), содержащий следующие основные элементы:

- средства получения  информации о текущем состоянии  ТОУ (источники информации);

- управляющий вычислительный  комплекс (УВК), основу которого составляют  средства вычислительной техники;

- технические средства  для реализации функций локальных систем автоматизации;

- исполнительные устройства, непосредственно реализующие управляющие  воздействия на ТОУ.

Выбор КТС определяется специфическими требованиями, предъявляемыми к АСУТП. Основным из них является обеспечение малого времени реакции системы на изменение состояния ТОУ. Это отличает АСУТП от организационно – экономических АСУ, в частности от АСУТП.

Для обеспечения высокого быстродействия АСУТП основной объем  информации о текущем состоянии  ТОУ передается электрическими сигналами, которые поступают в УВК от источников информации – первичных измерительных преобразователей и позиционных датчиков – сигнализаторов по кабельным линиям связи.

В АСУТП применяют  в основном первичные измерительные  преобразователи ГСП. В комплекс технических средств многих АСУТП входят технические средства автоматизации преимущественно из состава электрической ветви ГСП, служащие для реализации функций локальных систем автоматизации (регулирования, программно – логического и дистанционного управления).

Специфическим компонентом КТС является УВК, в состав которого входят собственно вычислительный комплекс (ВК), устройства связи ВК с объектом (УСО) и с оперативным персоналом. В первых АСУТП использовали специализированные УВМ; из них наиболее известными были машины УМ – 1. первые УВМ представляли собой изделия с фиксированными составом и техническими возможностями. В дальнейшем были созданы агрегатные комплекты управляющей вычислительной техники, из которых можно компоновать УВК различного состава и вычислительной мощности, в соответствии с особенностями конкретной АСУТП.

Первым и до сих  пор наиболее распространенным типом  технических структур АСУТП является централизованная. В системах с централизованной структурой вся информация, необходимая для управления АТК, поступает в единый центр – операторский пульт, где установлены практически все технический средства АСУТП, за исключением источников информации и исполнительных устройств, и где находится оперативный персонал. Такая техническая структура наиболее проста и имеет ряд очевидных эксплуатационных достоинств. Недостатками ее является необходимость избыточного числа элементов для обеспечения высокой надежности функционирования АСУТП и большие затраты дефицитного кабеля. Она целесообразна для сравнительно небольших по мощности и компактных АТК с умеренными требованиями к надежности.

В связи с внедрением микропроцессорной техники все  большее распространение получает распределенная техническая структура АСУТП, т.е. расчлененная на ряд автономных подсистем – локальных технологических станций, территориально распределенных по технологическим участка объекта управления. Каждая локальная подсистема представляет собой однотипно выполненную централизованную структуру, ядром которой является управляющая микро – ЭВМ. Локальные подсистемы через свои микро – ЭВМ объединены в единую систему сетью передачи данных с высокой пропускной способностью. К сети подключается необходимое для управления АТК число терминалов для оперативного персонала; программное обеспечение АСУТП связывает все элементы распределенной технической структуры в единое целое, обладающее рядом достоинств:

- возможностью получения  высоких показателей надежности  за счет расщепления АСУТП  на семейство сравнительно небольших  и менее сложных автономных  подсистем и дополнительного коллективного резервирования каждой из этих подсистем через сеть; применение более надежных средств микроэлектронной вычислительной техники;

- большой гибкостью  при композиции и модернизации  технического и программного  обеспечения, возможностью легкого наращивания вычислительных возможностей АСУТП;

- экономией дефицитного  кабеля.

Ряд функций АСУТП, связанных  в основном с локальным регулированием и управлением, реализуется аппаратурно. Большинство же функций реализуется  программно, т.е. путем соответствующей обработки информации в УВК. Поэтому важнейшим компонентом АСУТП является ее программное обеспечение (ПО), т.е. совокупность программ, обеспечивающих реализацию функции АСУТП и заданное функционирование КТС.

Программное обеспечение  делится на общее и специальное. Общее ПО поставляется в комплекте со средствами вычислительной техники и обеспечивает организацию функционирования КТС. Специальное ПО разрабатывается при создании АСУТП и включает программы, реализует ее информационные и управляющие функции.

Программное обеспечение  создается на базе математического обеспечения (МО), под которым подразумевают совокупность математических методов, моделей и алгоритмов для решения задач и обработки информации с применением вычислительной техники. Для реализации информационных и управляющих функций АСУТП создают специальное МО, в состав которого, в частности, входят алгоритмы сбора, обработки и представления информации; алгоритмы управления с математическими моделями соответствующих объектов управления; алгоритмы локальной автоматизации.

Создание специальных  МО и ПО требует больших затрат труда и средств; доля их в общей  стоимости АСУТП непрерывно возрастает. Если доля первых АСУТП соотношение  затрат на КТС и МО с ПО равнялась  примерно 15:1, то в современных системах оно приближается к 1:2.

Все взаимодействие как  внутри АСУТП, так и с внешней  средой представляют собой различные  формы информационного обмена (т. е. передачу и прием информации в  виде различных сигналов,  данных, сообщений, тестов и т. д.). Для того, чтобы рационально осуществлять такой обмен, необходимо детальная регламентация этого процесса, например, система классификации и кодирования технологической и технико-экономической информации, принятых форм массивов данных и документов и т.д. Кроме этого, необходимы сами массивы данных и документов (в т.ч. нормативно – справочная информация), в совокупности обеспечивающие при эксплуатации АСУТП возможность выполнения всех ее функций.

Правила обмена информацией  и сама информация, циркулирующая  в АСУТП, образуют информационное обеспечение АСУТП, которое в переведенном на машинный язык виде составляет содержание базы данных системы.

Организационное обеспечение АСУТП представляет собой совокупность описаний функциональной, технической и организационной структур системы, инструкций и регламентов для оперативного персонала, обеспечивающую заданное функционирование АСУТП. Последнее характеризуется активным взаимодействием между людьми и программными и техническими средствами АСУТП. Поэтому организация оптимальных форм этого взаимодействия является одной из основных проблем разработки и эксплуатации АСУТП.

Оперативный персонал АСУТП состоит из технологов-операторов, осуществляющих управление ТОУ, и эксплуатационного персонала, обеспечивающего функционирование АСУТП (операторы ЭВМ, программисты, эксплуатационный персонал по обслуживанию других видов аппаратуры КТС). Состав оперативного персонала конкретной АСУТП и взаимодействия между отдельными работниками определяются организационной структурой системы.

 

Режимы работы АСУТП

Оперативный персонал АСУТП  может работать в контуре управления или вне его. При работе в контуре  управления оперативный персонал реализует  все функции управления или часть  их, используя рекомендации по рациональному  управлению ТОУ, выработанные КТС. Такой режим функционирования АСУТП называют информационно – соответствующим.

Если оперативный персонал работает вне контура управления, он задает АСУТП режим работы и  осуществляет контроль за его соблюдением. В этом случае, в зависимости от состава КТС, АСУТП может функционировать в комбинированном режиме (для обозначения этого режима часто применяют термин «супервизорный»), при котором производится автоматическое изменение уставок и параметров настройки локальных автоматических систем регулирования, или в режиме непосредственного цифрового управления (НЦУ), при котором УВК непосредственно воздействует на исполнительные устройства, изменяя управляющие воздействия на ТОУ.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис.2

в) – ВК выполняет функции непосредственного цифрового управления (НЦУ)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис.2 (продолжение)

в) – ВК выполняет  функции непосредственного цифрового  управления (НЦУ)