Основные технологические системы тп

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.

Технологическое оборудование на промышленных предприятиях может управляться АСУ ТП (автоматизированной системой управления технологическим процессом).

Обычно такие системы устанавливают там, где на выходе получают завершенное изделие, и это может быть весь цех или только часть линии. Поскольку речь идет об автоматизации, то предполагается, что все устройства будут контролироваться человеком, оператором.

Построение системы АСУ ТП предполагает использование следующих связанных блоков: элементы автоматического управления, автоматизированные устройства, пульты управления процессом и программируемые логические контроллеры.

Все это работает в комплексе, и большая часть функций по прохождению технологического процесса возлагается как раз на автоматическую систему, действующую по заданному алгоритму.

Структура систем управления

Считается, что автоматическая система управления техпроцессом — это только один из подвидов в этой категории. Также может быть контроль на уровне предприятия или всей отрасли. Но и сами типовые системы АСУ ТП тоже различаются по структуре:

Функции АСУ ТП

Современные системы АСУ ТП обеспечивают выполнение таких функций:

Описание функционирования систем АСУ ТП заключается в том, что оператор может управлять процессом дистанционного, со своего пульта, который может быть значительно удален от самого места проведения работ. При этом система будет своевременно предоставлять всю важную информацию и регистрировать контролируемые параметры и происходящие события.

Требования к системам АСУ ТП

Основные требования к таким системам — надежность, безопасность, оперативность срабатывания, простота в использовании.

Ключевыми стандартами, которыми руководствуются при создании этих систем, стоит назвать ГОСТы на информационные технологии — ГОСТ 34.601-90, ГОСТ 34.602-90 и ГОСТ 34. 201-90, а также методические указания с общими положениями РД 50-682-89 и РД 50-680-88.

Все виды систем АСУ ТП могут функционировать только в условиях надлежащей комплексной защиты. Необходима защита на программном и технологическом уровне. Так, нельзя допустить несанкционированный доступ, как и нельзя допустить, чтобы система останавливалась в результате ошибки оператора.

Чтобы обеспечить максимальную безопасность, все комплектующие системы тщательно проверяются. Защита устанавливается с помощью паролей, причем обычно делают два уровня доступа — для оператора и руководителя.

Эффективность сервисного производства определяется рядом параметров, характеризующих надёжность, безопасность технологических систем для персонала и окружающей среды. На процессе создания услуг и продукции в сфере сервиса оказывает влияние большое количество различных факторов, которые регламентированы, условиями производства. В соответствии с ГОСТ техническая система- совокупность взаимосвязанных средств технического оснащения (СТО), предметов производства, исполнителей для выполнения операций и регламентированных условий производства.

РУП- регламентированные условия производства

ТП – технологический процесс

Данная структурная модель техническая производства предусматривает разбиение технологического процесса на технические операции. Связь между которыми может осуществляется с помощью транспортировочных средств.

Чтобы техническая система работала устойчиво нужно в РУП обосновать любое изменение факторов технического производства, а также допустимые пределы изменение данных факторов. Выход РУП за допустимые пределы может привести к неусточивому состоянию технологические системы:

Исправное состояние (ИС) – система соответствует всем требованиям нормативно-технической документации и её фактических параметры не достигают предельных значений.

Рабочее состояние (РС) – возможны отклонения параметров системы от нормативных не влекущее недопустимое снижения производства качества продукции или увеличения затрат на её изготовления.

Нерабочее система (ВС) – эксплуатация технической системы невозможны, т.к. она в целом или её элементы перешли в нерабочее состояние.

Вредное или опасное состояние (ВС) – связано с требованиями по безвродности и безопасности производства. Переход в данное состояние наносит вред окружающей среде(персоналу). Математических описание устойчивости функционирования систем можно представить в виде многомерной модели:

Y – вектор-столбец параметров функционирования технической системы

X – вектор-строка факторов технического процесса

Xmin< X(t) < Xmax

Технологический процесс – является многомерным объектом, в котором учитываются все возможные состояния объекта и влияющих факторов.

Вероятность устойчивого функционирования элементарной технологической системы (операции) определяются:

Pi(t) – операция

P1i(t) – техническое освещение

P2i(t) – предмет производства

P3i(t) – исполнитель

Рассматривается вероятность устойчивость состояния технологической системы

– последовательное соединение элементов технологической системы в целом. Выход из строя одного из элемента системы, нарушает всю систему.

Устойчивое состояние технической системы обеспечивается стабильным соответствием установленным требованиям технологическому оснащению, предметом производства и работе исполнителей.

Значение параметров задаётся на основании установленных требований нормативно-технической документации.

Данное распределение параметров технологической системы может быть распределено как по нормальному закону распределяется так и по другим распределениям.

Устойчивая работа исполнителя характеризуется функцией надёжности в непрерывной временной области, которая может меняться в зависимости от напряжённости и продолжительности труда:

P3i(t)= 1- e^-∫λ(t)dt

Λ(t) – интенсивность появления ошибок оператора, связанная с различными факторами.

Устойчивость функционирования средств технологического оснащения определяется безотказностью, безвредностью и безопасностью оборудования.

Для средств технологического оснащения представляет собой сложные объекты с разнообразными видами отказов, а также опасных и вредных состояний определения данной вероятности производится на основании структурного анализа, а также составления дерева неисправностей.

Устойчивость состояния предметов производства означает стабильное соответствие, установленным требованиям к размерно-качественным требованиям характеризующим сырьё и полуфабрикаты, что обеспечивается надлежащей сортировкой и входным контролем.

Λi(t) – поток отказов или некондиции входного сырья

Эффективность функционирования технологических процессов в системе сферы сервиса предусматривает:

1 Качественное поступление комплектующих и полуфабрикатов

2 Высокая квалификация исполнителей

3 Надлежащее оснащение технологического процесса средствами производства

№ 2. Проектирование технологических процессов

Цель проектирования технологического процесса: структурное моделирование, которое позволяет создать технологический процесс изготовления нового изделия или услуги или оптимизировать действующий технологический процесс. Во время подготовки и проектирования технологического процесса составляется проектно-сметная документация для реконструкции или технологического перевооружения технологического процесса.

Техническое перевооружение – полная замена оборудования

Реконструкция – замена отдельных деталей.

Главной особенностью составления проектно-сметной документации заключается в том, что предусматривается разработка не только перспективных но и дерективных технологических деталей, при этом необходимо ответить на вопросы:

1 Новые технологические решения

2 Механизация и автоматизация технологических процессов

3 Состав применяемого технологического производства

4 Применение безотходного производства

5 Новые методы технологического контроля

6 Определение состава производства процесса по утилизации отходов

Кроме того, технологические процессы, используемые при реконструкции и техническом перевооружении должны решить:

1 Расчёт топливно-энергетического и материального баланса

2 Оценить потребность в основных видах ресурсах

3 Трудоёмкость и ремонтоемкость производства

4 Произвести расчёт количества единиц оборудования, площади и числа работающих.

5 Выполнить чертежи технологической компоновки и проектировки оборудования.

При рассмотрении проектов технологического процесса необходимо их подразделение на перспективное и рабочее.

Перспективный технологический процесс – процесс, соответствующий современным достижениям науки. Методы и средства которого полностью или частично необходимо освоить на предприятиях сервиса.

Рабочий технологический процесс – процесс, выполняемый по рабочей документации в ходе реконструкции или перевооружении должны пересматриваться или заменяться новыми.

Обеспечение конкурентоспособности и качества изделий при постановке данной продукции на производстве должно быть ориентировано не только на перспективу но и разработку директивных технологических процессов.

Директивные технологические процессы – процессы, относящиеся к изготовлению оригинальных изделий.

Перспективный технологический процесс – изготовление типовых конструкций.

Главное различие директивы от перспективы – экономический эффект от применяемых директив появляется чаще всего в сфере эксплуатации изделия, увеличения объёма продаж, улучшения качества.

А экономический эффект от перспективы – проявляется прежде всего в сфере производства изделия и увеличения продаж за счёт снижения цены изделия.

При создании новых директивных технологических процессов настоящее время существует 4 основных направления:

1 Изготовление и обработка новых конструкционных материалов

1 Изготовление принципиально новых сборочных единиц и деталей

3 Повышение качества отделки изделия/услуги

4 Обеспечение специальных форм комплектующих материалов

Основные требования к проектированию перспективных технологических процессов – изготовление типовых изделий или технологий при использовании типового оборудования. Основная часть технологических процессов при разработке проекта технологического перевооружения предусматривает замещение, но при этом метод обработки не изменяется.

Широко используются структурные изменения состава операций.

Применений перспективных процессов можно рассматривать в приложение к различным стадиям жизненного цикла изделия:

1 техническая подготовка

2 Собственно производство

При разработке технологических процессов следует обратить внимание на:

Трудосбережение технологических процессов разрабатывается по трём основным направлениям:

1 Использование прогрессивных способов обработки и изготовления изделий

2 Унификация технологии на основе создания типовых или групповых технологий

3 Механизация и автоматизация технологических процессов

Фондосбережение – связано со снижением станко-ёмкости обработки или сборки изделия за счёт снижения затрат, времени на выполнение технологического процесса и высвобождение оборудования и площадей, а это приводит к увеличению коэффициента загрузки оборудования, высвобождение производственных фондов, что требует незначительных затрат.

Энергосбережение – связано с возникновением затрат на использование силовой энергии за счёт уменьшения и рационального применения энергии, а также использование вторичных ресурсов.

№3. Основные принципы системного подхода к проектированию

Наиболее общим подходом к проектированию является системный подход. Принцип системного подхода заключается в рассмотрении частей сложной системы с учетом их взаимодействия. Системный подход включает в себя выявление структуры системы, типизацию связей, определение свойств (атрибутов) системы, анализ влияния внешней среды.

Системный подход к проектированию:

· объект проектирования рассматривается как взаимосвязанная система элементов, являющаяся подсистемой некоторой внешней системы;

· описание каждого элемента, его характеристики должны даваться с учетом его роли в функционировании всей системы;

· описание всей системы должно проводится с учетом ее роли в функционировании системы высшего уровня;

· учет свойств каждого элемента системы обязателен;

· исследование объекта проектирования должно проводится с учетом условий его работы во внешней среде.

Системный подход к проектированию автоматизированного технологического процесса требует объединения проектирования технологических процессов и разработки автоматизированной системы управления этим процессом в соответствии со структурой автоматизированного технологического процесса

Автоматизированный технологический процесс (АТК) разбивается на уровни с постепенной детализацией представления системы сверху вниз.

Системный подход к проектированию АТК требует учета следующих основных принципов:

Первый принцип требует, чтобы ряд отдельных операций выполнялся параллельно. Второй принцип требует разбивать АТК как сложную систему на ряд элементов и подсистем.

Третий принцип требует организовать деятельность проектировщиков АТК в виде целенаправленных действий. При этом определяется сначала глобальная (общая) цель проектирования. Затем задается влияние элементов и систем на глобальную цель проектирования, а также задач проектирования отдельных элементов и систем на общее проектирование АТК.

№4. Системы управления технологическими процессами

Системы управления технологическими процессами, в том числе и автоматизированные (АСУ ТП), во время эксплуатации должны обеспечивать:

· контроль за состоянием оборудования;

· автоматическое регулирование технологических параметров;

· автоматическую защиту технологического оборудования;

· автоматическое управление оборудованием по заданным алгоритмам;

· технологическую и аварийную сигнализацию;

· дистанционное управление регулирующей и запорной арматурой.

Персонал, обслуживающий системы управления, должен обеспечить: поддержание этих систем в исправном состоянии, готовность их к работе, своевременность проведения технического обслуживания и ремонта, выполнение мероприятий по повышению надежности и эффективности использования, наличие запасных приборов и материалов.

Все автоматизированные системы управления технологическими процессами (АСУ ТП) можно условно классифицировать следующим образом:

Системы диспетчерского управления: основное назначение систем данного класса – мониторинг и управление объектами с участием диспетчера. Система диспетчерского управления в настоящее время является основным и наиболее надежным методом автоматизированного управления сложными динамическими системами. Именно на принципах диспетчерского управления строятся крупные автоматизированные системы в промышленности и энергетике, на транспорте, в различных государственных структурах. Система диспетческого управления позволяет производить сбор информации в реальном времени с удаленных объектов для обработки, анализа, а также управления удаленными процессами на объектах.

Программируемые логические контроллеры: Работа данного класса заключается в сборе и обработке данных, получаемых с датчиков устройств, с последующей выдачей управляющих сигналов на исполнительные устройства. Подобные автоматизированные системы имеют широкое применение в промышленности: автоматические фасовочные линии, системы вентиляции и обогрева, системы безопасности и сигнализации и прочее.

Распределенные системы управления: наиболее комплексный класс, как правило, применяются для управления непрерывными технологическими процессами (хотя, строго говоря, сфера применения РСУ только этим не ограничена). К непрерывным процессам можно отнести те, которые должны проходить днями и ночами, месяцами и даже годами, при этом остановка процесса, даже кратковременная, недопустима, иначе произойдет порча изготавливаемой продукции, поломка технологического оборудования и даже несчастный случай.

№5. Основные понятия и показатели теории надежности

Надежность – св-во системы сохранять во времени в установленных пределах значения всех параметров, характеризующих способность оборудования выполнять требуемые функции в заданных режимах.

1. Работоспособное состояние – состояние объекта, при котором значения всех параметров соответствуют требованиям нормативно-технической документации.

2. Неработоспособное состояние – значение хотя бы одного параметра не соответствует требованиям НТД.

3. Предельное состояние – когда дальнейшее применение объекта по назначению не допустимо или нецелесообразно (или ремонт не выгоден).

4. Повреждение – событие, заключающееся в нарушении исправного состояния объекта при сохранении его работоспособности.

5. Отказ – нарушение работоспособности объекта.

2 класса объектов:

1 ) Восстанавливаемые – кот-е могут быть восстановлены в случае отказа

2) Невосстанавливаемые – не могут быть восстановлены в случае отказа.

Теория надежности характеризуется также временными интервалами:

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

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.

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.

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

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.

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.

Верхний уровень

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

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.

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.

Типы действия регуляторов

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

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.

Уровни АСУТП

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).