Автоматизированные системы управления техническими средствами

Автоматизированная система управления технологическими процессами (АСУ ТП) — это совокупность аппаратно-программных средств, которые осуществляют контроль и управление производственными и технологическими процессами, поддерживают обратную связь и активно воздействующих на ход процесса при отклонении его от заданных параметров, а также обеспечивают регулирование и оптимизацию управляемого процесса.

АСУТП используется для выполнения следующих функций:
• Целевое применение в качестве законченного изделия под определенный объект автоматизации;
• Стабилизация заданных режимов технологического процесса путем измерения и обработки значений технологических параметров, их визуального представления и выдачи управляющих воздействий в режиме реального времени на исполнительные механизмы, как в автоматическом режиме, так и в результате действий технолога-оператора;
• Анализ состояния технологического процесса, выявление предаварийных ситуаций и предотвращение аварий путем переключения технологических узлов в безопасное состояние, как в автоматическом режиме, так и по инициативе оперативного персонала;
• Обеспечение инженерно-технического персонала завода необходимой информацией с технологического процесса для решения задач контроля, учета, анализа, планирования и управления производственной деятельностью.

Общие сведения о технических средствах автоматизации основные понятия и определения

Целью
курса «Технические средства автоматизации»
(ТСА) является изучение элементной базы
систем автоматического управления
технологическими процессами. Вначале
приведем основные понятия и определения.

Элемент
(устройство)
– конструктивно законченное техническое
изделие, предназначенное для выполнения
определённых функций в системах
автоматизации (измерение, передача
сигнала, хранение информации, ее
обработка, выработка команд управления
и т.п.).

Система
автоматического управления (САУ) –
совокупность технических устройств и
программно-технических средств,
взаимодействующих между собой с целью
реализации некоторого закона (алгоритма)
управления.

Автоматизированная
система управления технологическим
процессом (АСУ ТП) –
система, предназначенная для выработки
и реализации управляющих воздействий
на технологический объект управления
и представляющая собой человеко-машинную
систему, обеспечивающую автоматический
сбор и обработку информации, необходимую
для управления этим технологическим
объектом в соответствии с принятыми
критериями (техническими, технологическими,
экономическими).

Технологический
объект управления (ТОУ) – совокупность
технологического оборудования и
реализованного на нем по соответствующим
инструкциям и регламентам технологического
процесса.

Интенсивное
развитие и быстрая динамика рынка
современной техники
управления требуют появления литературы,
отражающей со­временное
состояние ТСА. В настоя­щее
время свежая информация о средствах
автоматизации оте­чественных
и зарубежных фирм имеет разрозненный
характер и в основном
представлена в периодической печати
либо в глобальной сети
Internet
на сайтах фирм-производителей или на
специализиро­ванных
информационных порталах, таких как
www.asutp.ru,
www.mka.ru,
www.industrialauto.ru.
Целью настоящего конспекта лекций
является систематизированное представление
материала о элементах и про­мышленных
комплексах ТСА. Конспект предназначен
для студентов
специальности «Автоматизация
технологических процессов и производств»,
изучающих дисциплину «Технические
средства
автоматизации».

Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке “Файлы работы” в формате PDF

Автоматизация процессов на сегодняшний день являет собой одну из концепций управления ими, отличительная черта, которой – использование информационных технологий. Она предусматривает широкое применение ЭВМ и программного обеспечения и обеспечивает управление информацией, ресурсами и действиями с минимальным участием человека в данных процедурах либо без такового в принципе. Фактически ее можно назвать основной производственной идеей 21 века.

В современных условиях постоянного усложнения технологических процессов и производств, их автоматизация становится все более востребованной. Автоматизированные производственные системы помогают увеличить производительность труда, значительно улучшить качество изготовляемой продукции.

В последние годы АСУ ТП постепенно проникает в следующие сферы: управление дорожным движением, машиностроение, медицина, ЖКХ и так далее. Отдельным направлением их использования является военная и космическая техника, в которых системы автоматизации применяют в качестве встроенных средств управления и контроля.

АСУ ТП используется в основном для оптимизации различных технологических процессов производства, а также для повышения их эффективности с помощью автоматизации. Она обычно базируется на использовании различных современных средств микропроцессорной и вычислительной техники с эффективными методами по контролю и управлению.

Цель данной работы – раскрыть сущность, основные положения, цели и стратегии проектирования автоматизации производственных процессов.

1. Понятие и принципы автоматизации процессов производства

Автоматизация процессов производства заключается в том, что часть функций управления, регулирования и контроля технологическими комплексами осуществляется не людьми, а роботизированными механизмами и информационными системами.

Автоматизировать производство можно в любой сфере деятельности, но наиболее эффективно компьютеризация работает в отношении сложных монотонных процессов. Такие операции встречаются в:

легкой и тяжелой промышленности;

медицине и т. д.

Машинизация помогает в технической диагностике, ведении научной и исследовательской деятельности в рамках отдельного предприятия.

сокращение численности персонала;

увеличение производительности труда за счет максимальной автоматики;

расширение линейки продукции;

рост объемов производства;

улучшение качества товаров;

уменьшение расходной составляющей;

создание экологически чистого производства за счет снижения вредных выбросов в атмосферу;

внедрение высоких технологий в обычный производственный цикл с минимальными затратами;

повышение безопасности технологичных процессов.

При достижении этих целей предприятие получает массу преимуществ от внедрения механизированных систем и окупает затраты на автоматизацию (при условии стабильного спроса на продукцию).

Качественное выполнение поставленных задач механизации определяется внедрением:

современных автоматизированных средств;

индивидуально разработанных методов компьютеризации.

Степень автоматизации зависит от интеграции инновационного оборудования в существующую технологическую цепочку. Уровень внедрения оценивается индивидуально в зависимости от особенностей конкретного производства.

В составе единой автоматизированной производственной среды на предприятии рассматриваются следующие элементы:

системы проектирования, используемые для разработки новой продукции и технической документации;

станки с программным управлением на базе микропроцессоров;

промышленные роботизированные комплексы и технологичные роботы;

компьютеризированная система контроля качества на предприятии;

технологичные склады со специальным подъемно-транспортным оборудованием;

общая автоматизированная система управления производства (АСУП).

На всех уровнях предприятия принципы автоматизации производственных процессов одинаковы и едины, хотя и отличаются масштабом подхода к решению технологичных и управленческих задач. Эти принципы обеспечивают эффективное выполнение требуемых работ в автоматическом режиме.

Рис. 1 Принципы автоматизации процессов

Принцип согласованности и гибкости

Все действия в рамках единой компьютеризированной системы должны быть согласованы друг с другом и с похожими позициями в смежных областях. Полная автоматизация оперативных, производственных и технологических процессов достигается за счет общности выполняемых операций, рецептур, графика и оптимального сочетания методик. При невыполнении этого принципа нарушится гибкость производства и комплексное выполнение всего процесса.

Особенности гибких автоматизированных технологий

Использование гибких производственных систем – ключевая тенденция в современной автоматизации. В рамках их действия выполняется технологическая оптимизация за счет слаженности работы всех системных элементов и возможности быстрой замены инструментария. Используемые методики позволяют эффективно перестроить имеющиеся комплексы под новые принципы без серьезных затрат.

Создание и структура

В зависимости от уровня развития производства гибкость автоматизации достигается за счет слаженного и комплексного взаимодействия всех элементов системы: манипуляторов, микропроцессоров, роботов и т. д. Причем помимо механизированного изготовления продукции, в этих процессах задействованы транспортные, складские и прочие подразделения предприятия.

Идеальная автоматизированная производственная система должна представлять собой завершенный циклический процесс без промежуточной передачи продукции в другие подразделения. Качественное выполнение этого принципа обеспечивается:

многофункциональностью оборудования, позволяющего за одну единицу времени обрабатывать сразу несколько видов сырья;

технологичностью изготавливаемого товара за счет сокращения требуемых ресурсов;

унификацией производственных методов;

минимумом дополнительных наладочных работ после запуска оборудования в эксплуатацию.

Принцип комплексной интеграции

Степень автоматизации зависит от взаимодействия процессов производства друг с другом и с внешним миром, а также от скорости интеграции отдельной технологии в общую организационную среду.

Принцип независимого выполнения

Существует несколько классификаций процессов компьютеризации предприятия, но эффективнее всего разделять эти системы в зависимости от их степени внедрения в общий производственный цикл. На этом основании автоматизация бывает:

Эти разновидности – всего лишь уровни автоматизации производства, которые зависят от размера предприятия и объема технологичных работ.

Частичная автоматизация – это комплекс операций по усовершенствованию производства, в рамках которого происходит машинизация одного действия. Она не требует формирования сложного управленческого комплекса и полной интеграции смежных систем. На этом уровне компьютеризации допускается участие человека (не всегда в ограниченном объеме).

Комплексная автоматизация позволяет оптимизировать работу крупного производственного подразделения в режиме единого комплекса. Ее применение оправдана только в рамках крупного инновационного предприятия, где используется максимально надежное оборудование, поскольку поломка даже одного станка рискует остановить всю рабочую линию.

Полная автоматизация – это комплекс процессов, которые обеспечивают независимую работу всей системы, в т.ч. управление производством. Ее внедрение наиболее затратно, поэтому эта система используется на крупных предприятиях в условиях рентабельного и стабильного производства. На этом этапе участие человека сведено к минимуму. Чаще всего оно заключается в контроле системы (например, проверка показаний датчиков, устранение мелких неполадок и т. д.).

Определение параметров объекта управления

Объектом управления называется динамическая система, характеристики которой изменяются под влиянием возмущающих и управляющих воздействий. Объектами управления могут быть механизмы, машины и аппараты, в которых протекают технологические процессы (измельчение, перемешивание, кристаллизация, сушка и т.п.).
Одной из основных характеристик объекта управления является его передаточная функция. Для получения передаточной функции ОУ необходимо изменить на небольшую величину входной параметр ОУ и отслеживать во времени выходной параметр ОУ до тех пор, пока он не примет стабильное неменяющееся значение.

Из переходной функции ОУ можно вычислить следующие характеристики:
1. К – коэффициент усиления ОУ;
2. Т – постоянная времени ОУ (время нарастания);
3. τ – время запаздывания ОУ.
Эти характеристики являются основными и необходимы при выборе и расчете настроечных параметров регуляторов.

Этапы проектирования автоматизированных систем управления технологическим процессом

Процесс создания автоматизированных систем управления технологическим процессом можно разбить на следующие этапы:
а) детализация технических требований на создаваемую диспетчерскую систему контроля и управления;
б) разработка проектно – сметной документации в сокращенном или полном объеме;
в) сбор и изучение исходных данных;
г) составление полного перечня переменных;
д) комплектация системы;
е) разбиение объекта управления на технологические участки и последующая распределение переменных по участкам и группа;
ж) создание базы данных;
и) создание статических частей графических экранов интерфейса оператора;
к) заполнение графических экранов интерфейса оператора динамическими элементами;
л) составление схемы переходов между графическими экранами оператора;
м) составление алгоритмов управления (для всех возможных режимов работы объекта, в том числе аварийного);
н) генерация печатных документов;
п) верификация базы данных;
р) разработка эксплуатационной документации;
с) тестирование системы в автономном режиме (без УСО);
т) монтаж;
у) тестирование системы в рабочем режиме (с УСО);
ф) внедрение, в том числе пусконаладка и обучение персонала.

Сетевой уровень

Уровень магистральной сети является связующим звеном между контроллерами и станциями оператора. Основой этого уровня АСУТП можно считать цифровую промышленную сеть, состоящую из многих узлов, обмен информацией между которыми производится цифровым способом.

Контроллерный уровень

Уровень контроля и управления процессом выполняет функции сбора и первичной обработки дискретных и аналоговых сигналов, выработки управляющих воздействий на исполнительные механизмы.
Оборудование среднего уровня составляют программируемые контроллеры, устройства связи и с объектом (УСО), шкафы кроссовые и шкафы с контроллерами и вспомогательными средствами автоматизации и вычислительной техники.
Контроллер – устройство, предназначенное для получения в реальном времени информации с датчиков, преобразования ее и обмена с другими компонентами системы автоматизации (компьютер оператора, монитор, база данных и т. д.), а также для управления исполнительными механизмами.

Типы действия регуляторов

По направлению действия выходного сигнала регуляторы бывают двух типов – прямого или обратного действия.

Принцип работы АСР и законы регулирования

Все процессы управления, и в частности регулирования, имеют общие закономерности, не зависящие от конкретных целей и объектов управления.
Для лучшего понимания, рассмотрим процесс управления на примере процесса регулирования уровня в емкости при произвольно изменяющемся потреблении жидкости.

Регулирование уровня в емкости:
1 – клапан; 2 – емкость; 3 – насос.

Стабилизировать уровень на конкретном заданном значении можно изменением притока в зависимости от отклонения уровня от заданного значения. Примем, что вначале уровень в емкости постоянный и равен заданному. Случайное уменьшение потребления вызовет отклонение уровня выше заданного, и в такой ситуации прикрывают клапан на притоке. При отклонении уровня ниже заданного значения клапан, наоборот, больше приоткрывают.
Этот процесс регулирования также состоит из пяти составляющих. Во-первых, получение информации о заданном значении уровня. В данном случае это значение заранее известно. Во-вторых, получение информации о фактическом уровне, т. е. его измерение. В-третьих, определение величины и знака отклонения уровня от заданного. В-четвертых, установление требуемого изменения притока в зависимости от величины и знака отклонения. В-пятых, изменение притока открытием или закрытием клапана.
В данном примере процесс управления был неавтоматическим: в нем принимал участие человек, в то время как в АСР процесс управления осуществляется автоматически. Так, регулировать уровень в емкости автоматически можно, например, с помощью АСР, показанной на рисунке ниже.

Автоматическое регулирование уровня в емкости:
1 – поплавок; 2 – рычаг; 3 – шток; 4 – клапан.

Поплавок 1 в этой системе перемещается вместе с уровнем, а клапан 4 изменяет расход на притоке. Поплавок связан с клапаном через поворотный рычаг 2 и прикрепленный к нему шток 3.
В такой АСР любое отклонение уровня от заданного, вызванное колебаниями потребления, приведет к перемещению поплавка и связанного с ним клапана. При отклонении уровня выше заданного клапан будет прикрываться, а при отклонении ниже заданного, наоборот, приоткрываться.
Таким образом, в этой системе все указанные составляющие процесса регулирования выполняются автоматически: при отклонении уровня от заданного значения поплавок отклоняет рычаг, а перемещение штока изменяет степень открытия клапана и приводит тем самым к требуемому изменению притока.
Из рассмотренного примера видно, что для управления любым объектом необходимо получить информацию о заданном и фактическом его состоянии, определить отклонение фактического состояния от заданного, и на основе данных параметров выработать целенаправленное воздействие на объект и осуществить его.
В процессе работы системы автоматического регулирования регулятор сравнивает текущее значение измеряемого параметра Х, полученного от датчика Д, с заданным значением (заданием Z) и устраняет рассогласование регулирования e (e=Z-X). Внешние возмущающие воздействия также устраняются регулятором. Структурная схема непрерывного регулятора с аналоговым выходом приведена на рисунке ниже.

Таким образом любой регулятор имеет два входа (задание и переменная) и один выход (управляющий сигнал).

Выбор типа регулятора

АСУТП подразделяется на 4 уровня:
• уровень технологического процесса (полевой уровень);
• уровень контроля и управления технологическим процессом (контроллерный уровень);
• уровень магистральной сети (сетевой уровень);
• уровень человеко-машинного интерфейса (верхний уровень).

Преимущества автоматизации процессов

Автоматизированные процессы увеличивают скорость выполняемых цикличных операций, обеспечивают их точность и сохранность работоспособности вне зависимости от факторов внешней среды. За счет исключения человеческого фактора сокращается количество возможных ошибок и повышается качество работы. В случае возникновения типичных ситуаций программа запоминает алгоритм действий и применяет его с максимальной оперативностью.

Понятие автоматизации процессов неразрывно связано с глобальным технологическим процессом. Без внедрения систем компьютеризации невозможно современное развитие отдельных подразделений и всего предприятия в целом. Машинизация производства позволяет максимально эффективно повысить качество конечной продукции, расширить линейку предлагаемых видов товаров и увеличить объем выпуска.

Определение направления действия регулятора

Если при увеличении выходного сигнала (управления) переменная и задание то же увеличиваются, то необходимо выбрать обратный регулятор, т. к. направление действие регулятора должно быть противоположно действию процесса.
Если при увеличении выходного сигнала (управления) переменная и задание то же уменьшаются, то необходимо выбрать прямой регулятор, т. к. направление действие регулятора должно быть противоположно действию процесса.

Пропорциональный закон регулирования, П-регулятор

Принцип действия заключается в вырабатывании регулятором управляющего воздействия на объект пропорционально величине ошибки (чем больше ошибка е, тем больше управляющее воздействие Y).
Настроечным параметром будет являться коэффициент усиления (коэффициент пропорциональности) КР.

Интегральный закон регулирования, И-регулятор

Управляющее воздействие пропорционально интегралу от ошибки. Настроечным параметром будет являться коэффициент интеграции (время интегрирования) КI.

Пропорционально-интегральный закон регулирования, ПИ-регулятор

ПИ-регулятор представляет собой сочетание П и И регуляторов. Настроечными параметрами будут являться коэффициент интеграции (время интегрирования), коэффициент усиления (коэффициент пропорциональности) КI и КР.

Дифференциальный закон регулирования, Д-регулятор

Д-регулятор генерирует управляющее воздействие только при изменении регулируемой величины. Настроечным параметром будет являться коэффициент дифференциации (время дифференцирования) КD.

Пропорционально-дифференциальный закон регулирования, ПД-регулятор

ПД-регулятор представляет собой сочетание П и Д регуляторов. Настроечными параметрами будут являться коэффициент дифференциации (время дифференцирования), коэффициент усиления (коэффициент пропорциональности) КР и КD.

Интегрально-дифференциальный закон регулирования, ИД-регулятор

ИД-регулятор представляет собой сочетание И и Д регуляторов. Настроечными параметрами будут являться коэффициент дифференциации (время дифференцирования), коэффициент интеграции (время интегрирования) КI и КD.

Пропорционально-интегрально-дифференциальный закон регулирования

ПИД-регулятор представляет собой сочетание П, И и Д регуляторов. Настроечными параметрами будут являться коэффициент дифференциации (время дифференцирования), коэффициент усиления (коэффициент пропорциональности), коэффициент интеграции (время интегрирования) КI , КР и КD.

Классификация приборов и технических средств автоматизации

Автоматизированная система управления технологическим процессом (АСУ ТП) – целостный комплекс технических и программных средств, обеспечивающий автоматизацию управления технологическим оборудованием на производстве.

Уровни АСУ ТП имеет иерархическую структуру, состоящую чаще всего из трех уровней: нижнего (полевого) – контрольно-измерительные приборы и исполнительные механизмы; среднего – контроллеры и устройства связи; верхнего – серверы и операторские станции.

Рисунок 2 – Уровни Автоматизированной системы управления технологическими процессами

Полевой уровень АСУ ТП обеспечивает сбор данных о состояния оборудования и параметрах технологического процесса, выполняет управляющие воздействия. Основными техническими средствами полевого уровня являются датчики (датчики давления, температуры, силы, ускорения, движения и др.); преобразователи давления, температуры; станции распределенного ввода/вывода; выключатели, пускатели; преобразователи частоты; исполнительные устройства.

На нижнем уровне АСУ ТП применяются как аналоговые, так и дискретные датчики. К датчикам относятся также энкодеры. Энкодер – это датчик угла поворота. Он выполняет роль преобразователя, трансформируя угол поворота вращающегося объекта в электрические сигналы. Энкодеры подразделяются на абсолютные и инкрементальные. Энкодеры бывают оптические, магнитные и резисторные, могут работать через промышленную сеть или шинные интерфейсы. Преобразователи угол-код практически полностью вытеснили применявшиеся ранее дифференциальные трансформаторы угла поворота и сельсины.

Одним из компонентов автоматизированных производственных систем является робототехника. Робототехникой называют производственную технику, основанную на применении роботов. Промышленный робот – это автоматическое устройство, предназначенное для выполнения операций, обычно выполняемых человеком. Робот может управляться оператором или работать по заранее установленной программе. В зависимости от основных функций, выделяют манипуляционную, мобильную (перемещающуюся в пространстве) и информационную робототехнику. С помощью робототехники возможно осуществление как основных, так и вспомогательных технологических операций и производственных процессов. Её использование позволяет облегчить или заменить человеческий труд на производстве. Робототехника может работать совместно с другими средствами автоматизации производства, например, производственными линиями.

Производственные линии позволяют выпускать продукцию в автоматическом режиме, в едином производственном цикле конвейерного типа, начиная от загрузки на линию сырья и заканчивая получением готовой продукции с возможностью ее транспортировки. Для производственных линий мелкосерийных производств обычно подбирается недорогое оборудование, направленное на выполнение узконаправленной задачи. Для производственных линий крупных предприятий комплектуется оборудование с большим запасом прочности для исключения возможности простоя и непредвиденной остановки.

Назначение приборов автоматики и автоматизации

Приборы, устройства и средства автоматики и автоматизации являются набором технических средств, позволяющим решать задачи по локальной или комплексной автоматизации производств, технологических процессов, систем управления и других видов деятельности.

Приборы автоматики и автоматизации можно разделить на следующие группы:

приборы и средства измерения различных параметров;

устройства и приборы, позволяющие осуществлять восприятие информации;

приборы и средства ведения контроля и сигнализации;

приборы и средства регулирования параметров;

приборы и средства управления системами.

унификация сигналов, интерфейсов, конструкций, модулей и блоков приборов и средств автоматизации;

минимизации номенклатуры и увеличение универсальности использования приборов;

формирование гибких, программируемых и перестраиваемых компонентов системы автоматизации;

реализации в изделиях автоматики и автоматизации рациональных эстетических и эргономических требований, требований техники безопасности, международных стандартов.

Классификация приборов автоматики и автоматизации

На технологических производствах, в сельском хозяйстве, в городском и коммунальном хозяйстве, в строительстве, в системах отопления, водоснабжения, вентиляции и других системах наиболее часто измеряются следующие величины: температура, давление, расход и уровень. На долю этих измерений них приходится более 80 % всех измерений. Остальную часть измерений занимают электрические, оптические и др. виды измерения.

При всех измерениях используются измерительные приборы, которые классифицируются по ряду признаков. Общей градацией является разделение их на приборы для измерения: механических, электрических, магнитных, тепловых и других физических величин. Классификация по виду измеряемой или регулируемой величины указывает, какую физическую величину измеряет данный прибор: давление, температуру, расход, уровень, количество вещества, и т.д.).По признаку преобразования измеряемых параметров, приборы автоматики разделяют на приборы: непосредственной оценки, сравнения, регулирования, управления.

При создании систем автоматического управления используются различные технические средства, которые имеют различное функциональное назначение и соответствуют тем задачам и функциям, которые решаются на определенном уровне для конкретного объекта. Можно выделить несколько основных групп технических средств, которые используются для построения систем автоматизации

Технические средства для получения информации о состоянии технологических параметров объекта и технологического оборудования. К ним относят датчики и измерительные преобразователи, которые непосредственно устанавливаются на технологическом оборудовании для измерения давления, температуры, уровня, расхода, физико-химических свойств, состояния оборудования и прочее.

Технические средства, предназначенные для отображения и регистрации информации на щитах оператора и диспетчерских пунктах. Это показывающие и регистрирующие приборы, индикаторы, сигнальные табло, мнемосхемы и т.д.

Технические средства для реализации алгоритмов автоматического регулирования и логико-программного управления, в том числе автоматические регуляторы.

Средства оперативного управления, с помощью которых оператор имеет возможность обеспечить дистанционное управление объектом непосредственно со щита оператора.

Преобразователи сигналов одной унифицированной формы в другую, которые используют для согласования работы технических средств различных типов ДСП при использовании их вместе в одном контуре контроля или регулирования, и нормировочные преобразователи, которые предназначены для преобразования сигналов от датчиков в унифицированный сигнал.

Исполнительные механизмы, предназначенные для перемещения регулирующего органа в соответствии с команды управляющего устройства.

Использование отдельных групп технических средств зависит от реализации конкретной задачи управления, выбора руководящих устройств, а также от того, какие технические средства использованы в смежных группах. До последнего времени основным принципом построения систем автоматизации технологических процессов было использование локальных контуров контроля и управления, обеспечивающих решение отдельных задач системы. Поэтому при создании такого контура выбирались технические средства, которые могли бы обеспечить его автономное функционирование. В состав локального контура могли входить датчики и преобразователи, табло бегущая строка и показывающие приборы, регуляторы и функциональные блоки, станции ручного управления, исполнительные механизмы и регулирующие органы.

Современные системы автоматизации базируются на широком использовании средств микропроцессорной техники, прежде всего, промышленных микропроцессорных контроллеров (МПК). Центральной частью системы является МПК, который выполняет основные функции управления системой. На входные модули контроллера подаются сигналы от датчиков технологических параметров и другие управляющие входные сигналы. К выходным модулям МПК подключаются исполнительные механизмы и регулирующие органы. Выбор других технических средств зависит от решения вопроса о принципах организации операторского интерфейса. В первом варианте на операторском месте устанавливается пульт оператора-технолога, на котором размещаются, как правило, малогабаритные цифровые показывающие приборы и станции ручного управления, с помощью которых оператор имеет возможность наблюдать и за состоянием технологического процесса и, в случае необходимости, вмешиваться в процесс его управления.

Наиболее распространенным сегодня является вариант, при котором, как операторскую станцию используют персональный компьютер (ПК). С помощью специального программного обеспечения на ПК создается автоматизированное рабочее место (АРМ) оператора-технолога. Оператор наблюдает за технологическим процессом с помощью цветных мнемосхем и, пользуясь клавиатурой и манипулятором “мышь”, может осуществлять оперативное управление процессом: менять задачи регуляторам отдельных технологических параметров, переходить на ручной режим управления и непосредственно управлять регулирующими органами, изменять структуру контура регулирования (осуществлять переход с каскадного на локальное управление) и т.д. Кроме того, на АРМе ведется архивирование данных, фиксация моментов возникновения аварийных и предаварийных ситуаций, идентификация действий оператора, подготовка и печать различных рапортов и т.д.

3. Стратегия и проектирование автоматизации производственных процессов

После определения понятия, изучения и анализа технологичных процессов наступает черед оптимизации. Необходимо качественно упростить структуру, удалив из системы процессы, не приносящие какой-либо ценности. При возможности нужно сократить количество выполняемых действий, соединив некоторые операции в одну. Чем проще структурный порядок, тем легче его компьютеризировать. После упрощения систем можно приступать к автоматизации производственных процессов.

Проектирование – это ключевой этап автоматизации производственных процессов, без которого на производстве невозможно внедрение комплексной механизации и компьютеризации. В его рамках создается специальная схема, отображающая структуру, параметры и ключевые характеристики используемых устройств. Схема стандартно состоит из следующих пунктов:

масштаб автоматизации (описывается отдельно для всего предприятия и для отдельных производственных подразделений);

определение контрольных параметров работы устройств, которые в дальнейшем будут выступать маркерами проверки;

описание систем управления;

конфигурация расположения автоматизированных средств;

Основные этапы проектирования АСУ ТП

Порядок проектирования АСУ ТП регламентирован ГОСТ 34.601-90.

Проектирование систем автоматизации может отличаться в зависимости от сложности объекта, поставленных задач, особенностей технологии, имеющихся ограничений. В общем случае последовательность внедрения АСУ ТП (проектирование и разработка) включает такие стадии:

Постановка задач и определение требований к АСУ ТП. На этой стадии производят технико-экономическое обоснование необходимости разработки системы автоматизации, определяют нужные пользователю (оператору) функции. Также проводят обследование объекта и изучают технологию.

Разработка основной концепции системы управления в соответствии с потребностями производства, определение функциональности интерфейса.

ТЗ. Подготовка технического задания на проектирование, согласование его с заказчиком.

Эскизный проект. Выполняется проработка предварительных решений.

Технический проект. Включает разработку проектных решений автоматизированных систем, подбирается оборудование, выдаются задания по смежным разделам автоматизированных систем.

Рабочий проект – окончательная документация, по которой выполняются изготовление шкафов автоматизации, монтажные и пуско-наладочные работы. Содержит сведения для разработки прикладного программного обеспечения для PLC и HMI.

После завершения проектирования АСУ специалисты выполняют комплекс мероприятий по внедрению автоматизированных систем: строительно-монтажные работы, изготовление щитов управления, проведение пуско-наладочных работ. Также проводится обучение персонала предприятия и сервисное обслуживание.

Задачи и функции АСУ ТП

Начальный этап проектирования устройств автоматики – определение функциональности системы, требований по ее удобству и возможности интеграции с другими системами предприятия.

При разработке АСУ ТП проектировщики «Технологика» придерживаются таких принципов:

Обеспечение надежности и безотказности работы элементов систем автоматизации и диспетчеризации.

Бесперебойность передачи данных с объекта контроля, возможность выполнения управления в режиме реального времени.

Оптимальный выбор функциональности системы для конкретного предприятия с учетом особенностей оборудования и технологического цикла, потребности в автоматизации.

Разработка удобного интуитивно понятного пользователям интерфейса системы диспетчеризации, упрощающего использование АСУ.

В ходе проектирования систем автоматики решают такие задачи:

Формулировка основных требований к системе.

Определение требуемой степени автоматизации технологического процесса – устанавливается исходя из технико-экономических показателей стоимости внедрения АСУ и планируемой от нее выгоды.

Выбор методов мониторинга, управления и дистанционного регулирования хода ТП.

Выбор технических средств реализации системы автоматизации.

Определение мест размещения технических средств автоматизации.

Описание методов внедрения элементов систем, правил монтажа.

Этапы проектирования инженерных систем

Получение технических условий (ТУ)

Получать условия требуется для присоединения к городским типам сетей. Это требуется в следующих случаях:

при строительстве объектов;

при увеличении мощности;

вынос сети из пятна застройки.

С помощью предпроектного обследования можно определить весь комплекс технических предложений и мероприятий с учетом требований и сформированных типовых решений. По результатам проведения обследования опытные инженеры-проектировщики смогут разработать правильное техническое задание (ТЗ) на выполнения проектирования инженерных сетей и систем.

Разработка технического задания (ТЗ)

Из всех требований заказчика можно составить полную основу технического задания (ТЗ), это будет документ, с которого обычно начинают проектирование всех инженерных сетей и систем. Помимо технических требований, на самых первых этапах работы как исходную информацию используют данные, которые были получены при предпроектном обследовании.

Каждое проектирование обычно начинается с верного написания технического задания, которое утвердил заказчик. От правильно составленного ТЗ обычно зависит время проектирования инженерных систем, а также выбор подходящего оборудования, описанного в документе.

Разработка проекта АСУ

Во время разработки проекта АСУ ТП, есть необходимость в прорабатывании основных принципов работы системы, и решения важных задач и пожеланий. Готовый проект обычно представляет собой графические и текстовые материалы, которые определяют объемно-планировочные, технические и конструктивные решения для проведения строительства либо реконструкции.

Разработка рабочей документации

РД обычно разрабатывается сразу после утверждения проекта. Главная цель разработки таких документов заключается в тщательной подготовке чертежей, таблиц, схем, которые будут использоваться монтажники при выполнении работ. Составленные документы обеспечивают детальную привязку всех компонентов к объекту. В рабочей документации есть все необходимые таблицы, чертежи, соединения и подключения, а также планы расположения устройств и проводок.

Правильно разработанная рабочая документация обязательно должна быть точно согласована с органами государственного надзора. Сотрудники специализированной компании проводят согласование в необходимых организациях.

Комплексные системы автоматизации

Любая современная АСУ ТП обязательно должна иметь:

высокую информативность, с помощью которой можно оценить техпроцесс, определить относительную важность и выбрать критерии;

возможность для существенного расширения системы управления;

иметь возможность для выполнения анализа технологической обстановки, а также нарушений проведения технологического процесса и наладку производства;

возможность для постоянного поддержания технологического режима по определенному алгоритму;

возможность для подбора самого оптимального режима ведения процесса;

возможность для автоматической дозировки компонентов;

АСУ ТП правильно решает все задачи, которые направлены на оптимизацию происходящих технологических процессов. В полный комплекс услуг по выполнению пуско-наладки систем автоматизации включено обучение по внедрению и дальнейшему применению необходимых средств промышленной автоматизации на определенном производстве, сервисному обслуживанию и профилактическому осмотру.

Программное обеспечение предназначается для реализации автоматизированного управления установленным оборудованием и диспетчеризации всех параметров технологического процесса станции по автоматическому управлению. Это обеспечит полноценное использование системы управления.

Инженерные сети и системы являются основой жизнедеятельности абсолютно любого здания.

Проектирование инженерных систем представляет собой целый комплекс работ по выбору наиболее технического решения, подбора подходящего оборудования, расчёта систем, разработке требуемых чертежей, а также перечней оборудования.

Таким образом, проектирование автоматики выполняется в соответствии с действующими государственными стандартами в области надежности автоматизированных систем, правилами пожарной безопасности и требованиям по охране труда на производстве.

Разработка автоматизированной системы управления технологическим процессом представляет собой динамично развивающуюся область информационных технологий, а также базируется на применении современных программных и технических средств.

Главными функциями, которые выполняет подобная система, считаются:

контроль и управление,

хранение и накопление информации,

формирование сигналов тревог,

построение графиков и отчетов.

Современное устройство АСУ ТП (автоматизированная система управления технологическим процессом) является многоуровневой человеко-машинной системой управления.

Диспетчер в такой многоуровневой системе управления получает необходимую информацию со специального монитора ЭВМ либо с электронной системы отображения информации. Также он воздействует на те объекты, которые находятся на некотором расстоянии от него, с помощью специальных контроллеров, телекоммуникационных систем и интеллектуальных исполнительных механизмов.

Основным преимуществом АСУ ТП считается снижение, практически до полного исключения влияния человеческого фактора на происходящий процесс управления, минимизации расходов сырья, сокращении персонала, существенном повышении качества исходного продукта, а также в конечном итоге – повышении эффективности производства.

Проектирование автоматизированных систем управления технологическими процессами производства происходит в рамках внедрения автоматизации и диспетчеризации на предприятиях различных сфер деятельности.

Внедрение АСУ ТП позволяет снизить долю ручного труда, исключить риск возникновения ошибки из-за человеческого фактора, обеспечить высокую точность производства, уменьшить затраты энергетических и сырьевых ресурсов. При помощи автоматизации технологических процессов предприятия повышают качество выпускаемых изделий, увеличивают выработку, снижают себестоимость продукции и увеличивают рентабельность производства.

Агравал, Г.П. Системы автоматического управления: теория, применение, моделирование в MATLAB: Учебное пособие / Г.П. Агравал. – СПб.: Лань, 2013. – 208 c.

Анохин, В.В. Системы управления. Инжиниринг качества / В.В. Анохин, А.А. Варжапетян, А.Г. Варжапетян и др. – М.: Вузовская книга, 2012. – 320 c.

Автоматизация процессов KPMS, 2007-2020 – URL: https://www.kpms.ru/Automatization/Process_automation.htm

Вальков, В.Б. Автоматизированные системы управления технологическими процессами / В.Б. Вальков. – Питер.: Политехника, 2001. – 269 c

Информационные системы и технологии управления: Учебник / Под ред. Г.А. Титоренко. – М.: ЮНИТИ, 2013. – 591 c. –:

Казакевич В.В. Системы автоматической оптимизации / В.В. Казакевич, Б.Р. Родов. – Москва : Энергия,1999. -288 с.

Проектирование АСУ ТП И КИПИА – URL: https://ivctl.ru/uslugi/proektirovanie-inzhenernyx-sistem/Proektirovanie-ASU-TP-i-KIPiA/

Определение настроечных параметров регулятора

На основании формул таблицы настройки регуляторов рассчитываем параметры регулятора в зависимости от типа желаемого переходного процесса:

Качество настройки контуров управления напрямую влияет на стабильность ведения технологических процессов и получение продукции требуемого качества.

Процесс АСУТП, Обозначение АСУТП

Верхний уровень

Уровень человеко-машинного интерфейса, обеспечивающий трудовую деятельность человека-оператора АСУТП в системе «человек-машина» (СЧМ), в иностранной интерпретации «HMI-Human-Mashine-Interface».

Федеральное агенство по образованию

«Омский
государственный технический университет»

В.Н.
Гудинов, А.П. Корнейчук

Р
е ц е н з е н т ы :

Н.С.
Галдин, д.т.н., профессор кафедры «ПТТМ
и Г» СибАДИ,

В.В. Захаров,
начальник отдела автоматизации ЗАО
«НОМБУС».

Гудинов
В.Н., Корнейчук А.П.

Г Технические
средства автоматизации: Конспект лекций.
– Омск: Изд-во ОмГТУ, 2006. – 52 с.

В
конспекте лекций даны основные сведения
о современных технических и
программно-технических средствах
автоматизации (ТСА) и программно-технических
комплексах (ПТК), о принципах их построения,
классификации, составе, назначении,
характеристиках и особенностях применения
в различных автоматизированных системах
управления и регулирования технологическими
процессами (АСУ ТП).

Конспект
лекций предназначен для студентов
дневной, вечерней, заочной и дистанционной
форм обучения по специальности 220301 –
«Автоматизация технологических процессов
и производств».

Печатается
по решению редакционно-издательского
совета Омского государственного
технического университета.

Полевой уровень

Полевой уровень формирует первичную информацию, обеспечивающую работу всей АСУТП. На этот уровень адресно поступают и реализуются управляющие воздействия.
Оборудование полевого уровня составляют первичные преобразователи (датчики), исполнительные органы и механизмы.
Датчик – устройство, преобразующее физические параметры технологического процесса в электрические сигналы, поступающие в дальнейшем на контроллер.
Исполнительный орган – орган, воздействующий на технологический процесс путем изменения пропускной способности.
Исполнительный механизм – устройство, преобразующее электрические сигналы в физические воздействия, осуществляющее управление параметрами технологического процесса в автоматическом или ручном режиме.