Основные понятия об АСУ (Лекция)
1. Цели создания АСУ ТП
2. Состав АСУ ТП
3. Функции АСУ ТП
4. Классификация АСУ ТП
АСУ – это человеко-машинная
система, обеспечивающая автоматизированный сбор и обработку информации,
необходимый для оптимизации управления в различных сферах человеческой
деятельности.
Различают АСУ
производственного и организационного типа.
К АСУ производственного
типа относят: автоматизированные системы управления предприятиями (АСУП) ,
автоматизированные системы управления технологическими процессами (АСУ ТП) и
интегрированные АСУ (ИАСУ).
Доминирующее значение в АСУ имеют экономические задачи
управления задачи снабжения, реализации, управления финансовыми средствами,
трудовыми ресурсами, бухгалтерский учет и статическая отчетность.
В АСУП используются специфические формы хранения и
движения информации – документооборот. В качестве управляющих воздействий в
АСУП выступают документы в виде приказов, распоряжений, графиков, отчетов и
т.д.
Реализация управляющих воздействий возлагается на
рабочих и служащих.
Особенности АСУ ТП:
В АСУ ТП применяется большой объем технических средств
(АСУП использует большинство вычислительных процессов).
АСУП может быть отнесена к классу АСУ ТП только в том
случае, если система осуществляет воздействие на объект в том же темпе, что
протекающие в нем технологические процессы. Другими словами АСУ ТП
функционирует в режиме реального времени.
Цель функционирования АСУ ТП – оптимизация работы
объекта управления путем формирования и реализации управляющих воздействий.
АСУП и АСУ ТП могут
функционировать самостоятельно, либо могут объединяться в одну систему, которая
называется интегрированная АСУ (ИАСУ).
ИАСУ обеспечивает
взаимосвязанное и согласованное управление как технологией, так и организацией
производства в масштабах всего предприятия.
Наиболее важные цели в создании АСУ
ТП:
Обеспечение безопасности функционирования
технологических процессов. То есть устранение аварий, связанных с несогласованностью
операторов и длительностью времени их реакции.
Сокращение стоимости систем контроля и управления за
счет исключения из числа используемых при работе дорогостоящих вторичных
показывающих и регистрирующих приборов и локальных регуляторов.
Снижение стоимости выпускаемой продукции, увеличение
производительности, повышение качества достигается за счет оптимизации режимов
работы технологического оборудования и использования оптимальных систем
управления.
АСУ ТП состоит из
технического, математического, информационного, организационного обеспечений.
включает в себя технические средства (средства
измерений технических параметров, исполнительные устройства, промышленные
микропроцессорные контроллеры, компьютеры, регистраторы, источники питания,
каналы связи и т.д.).
алгоритмическое – комплекс
взаимосвязаных алгоритмов функционирования АСУ ТП.
программное – совокупность программ
по которым работает УВК.
– это комплекс
документов, в которых приводиться перечень входных сигналов и данных и их
характеристик, перечень выходных сигналов и документов, а также схемы сбора,
обработки и использования информации.
включает в себя
документы необходимые для работы оперативного и обслуживающего персонала для
эксплуатации АСУ ТП (инструкции операторам, инструкции по ремонту, паспорт
системы и описание АСУ ТП).
Рис. Схема взаимосвязи отдельных видов обеспечения:
СВТ –
средства вычислительной техники; ПО –
программное обеспечение.
Функции АСУ ТП – это
совокупность действий системы, направленных на достижения частной цели
управления. Различают информационно-вычислительные и управляющие функции.
К информационно –
вычислительным относят такие функции, результатом выполнения которых является
предоставление оператору информации о ходе ТП. Управляющие функции включают в
себя действия по выработки и реализации управляющего воздействия на ОУ
Прямое измерение (сбор, первичная обработка и хранение
информации об ОУ).
Косвенное измерение параметров процесса и
технологического оборудования (ТО).
Сигнализация состояний параметров ТП и ТО.
Расчет технико-экономических и эксплуатационных
показателей ТП и оборудования.
Регистрация параметров ТП, параметров ТО и результатов
расчётов.
Контроль и регистрация отклонений параметров ТП и
состояния оборудования.
Анализ срабатывания блокировки и защит ТО (определения
причин нарушения хода ТП).
Диагностика и прогнозирование хода ТП и состояния ТО.
Диагностика и прогнозирование состояния комплекса тех
средств АСУ ТП.
Оперативное отображение информации ведения ТП.
Выполнения процедур автоматического обмена информацией
со смежными и вышестоящими СУ.
Не все перечисленные функции могут быть реализованы в
конкретной АСУ ТП. Это зависит от функциональной развитости АСУ ТП.
Перечень функций,
определяется при составлении технического задания на проектировании, и при этом
учитываются требования, указанные в руководящих материалах (обычно отраслевых).
Оптимальное управление установившимися режимами работы
ТП (определяются уставки регуляторов, расчет технических параметров).
Оптимальное управление неустановившимися режимами
работы ТП (оптимальное управление в динамике) – поиск закона изменения
параметра, поиск траектории от одного установившегося значения к другому.
Оптимальное управление с адаптацией.
Не все перечисленные функции могут быть реализованы в конкретной АСУ
ТП.
Реализация функций АСУ ТП как управляющих, так и информационно вычислительных
осуществляется с помощью микропроцессорных контроллеров и операторных станций,
выполненных на базе компьютеров.
Рис. Типовая структура АСУ ТП:
ИС – инженерная станция; ОС – операторская станция; ПМК
– промышленный микропроцессорный контроллер
Контроллеры
выполняют следующие функции:
сбор и первичную обработку информации;
косвенное деление измерение;
автоматический обмен между информацией с операторскими
и диспетчерскими станциями.
Операторские станции выполняют
следующие функции:
регистрация информации (архивирование);
оперативное отображение в различных видах (в цифровом,
табличном, графическом, в виде мнемосхем, содержащих статическую и динамическую
часть);
подготовка отчетных документов;
оперативное дистанционное управление (включение,
отключение оборудования, изменение уставок регулятора, подготовка программ по
которым работают контроллеры, их загрузка в контроллер и диагностика
исправности контроллеров).
ОРС – сервер обеспечивает
обмен информации между операторскими станциями и контроллерами.
АСУ ТП (Лекция)
1. Структура современной АСУТП,
ее функции и основные разновидности
2. Состав АСУТП
3. Использование SCADA –систем
при создании АСУТП
1. Структура
современной АСУТП, ее функции и основные разновидности
Назначение, цели и функции
АСУТП
Назначение современных АСУТП можно определить, как
целенаправленное ведение технологического процесса и обеспечение смежных и
вышестоящих систем управления необходимой информацией.
Во многих ситуациях назначением АСУТП является достижение
реализуемости и устойчивости технологического процесса при высоких интенсивных
и экономичных режимах использования оборудования.
Создание
и функционирование каждой АСУТП должно быть направлено на получение
определенных технико-экономических результатов (снижение себестоимости
продукции, уменьшение потерь, повышение производительности труда, качества
продуктов, улучшение условий труда персонала и т.д.)
Поэтому
после определения назначения АСУТП необходимо четко конкретизировать цели
функционирования системы.
Примерами таких целей для промышленных технологических
объектов могут служить:
Обеспечение безопасности функционирования ТОУ;
Стабилизация параметров входных потоков;
Получение заданных параметров входных потоков;
Оптимизация режима работы оборудования;
Согласование режимов работы оборудования.
Степень достижения поставленных целей характеризуют
понятием критерия управления.
Критерий управления это показатель, характеризующий качество ведения
технологического процесса. Критерий управления в строгой математической форме
конкретизирует цель создания данной системы.
Например, технологический критерий минимум потерь меди с
отвальными шлаками при функционировании АСУТП процесса электроплавки,
отражательной плавки.
Одним
из общих критериев управления является критерий определяющий наибольший
экономический эффект при функционировании АСУТП, который определяется разностью
стоимостей получаемой готовой продукции и сырья, энергии, рабочей силы и т. д.
Оптимальным будет такое управление процессом, которое
позволит добиться максимального значения этой разности.
Как правило, общий критерий экономической эффективности
управления технологическим процессом часто не применим из-за сложности
определения необходимых количественных зависимостей в конкретных условиях
(например в отдельном технологическом процессе электроплавке или дуговой
плавке, где конечный продукт (штейн) не является товарным и он не имеет
конкретной цены).
В таких случаях формируют частные критерии, например:
1) максимальная производительность агрегата;
2)минимальная себестоимость
продукции при заданных количественных и качественных характеристиках продукции;
3)минимальный расход некоторых
компонентов, например дорогостоящих катализаторов, фотореагентов.
Таким образом, в АСУТП технологическим объектом управления
(ТОУ) необходимо в нужном темпе выполнять множество взаимосвязанных различных
действий, т.е. собирать и анализировать информацию о состоянии процесса,
регистрировать значения одних переменных и стабилизировать другие, принимать и
реализовывать соответствующие решения по управлению объектом и т.д. Именно эта
«деятельность» АСУТП была раннее названа функционированием АСУТП, т.е.
выполнением системой установленных функций.
Дадим определение и краткое разъяснение этого понятия:
Функция АСУТП – это совокупность действий системы,
направленных на достижение частной цели управления.
Различают информационные и управляющие функции
АСУТП.
К информационным функциям относят такие функции АСУТП,
результатом выполнения которых является представление оператору системы (или
какому либо внешнему получателю) информации о ходе управляемого процесса.
Примеры информационных функций АСУТП:
Контроль за основными параметрами процесса;
Изменение или регистрация по выводу оператора
интересующих его параметров процесса;
Информирование оператора (по его запросу) о
производственной ситуации на том или ином участке объекта управления в данный
момент;
Вычисление по вызову оператора некоторых комплексных
показателей, неподдающихся непосредственному измерению и характериз3ующими
качество продукции или что-то другое и т.д.
Управляющие функции АСУТП:
Это действия по выработке и реализации управляющих
воздействий на объекте управления.
К основным управляющим функциям АСУТП относятся:
Стабилизация переменных технологического процесса
(например, температура в пламени печи нужно стабилизировать в заданном режиме 12000
С).
Программное изменение режима процесса по заранее
заданным законам (например, изменение температуры по длине печи при прохождении
заготовки в индукционной печи).
Распределение материальных потоков и нагрузок между
технологическими агрегатами (например, распределение шихты флюсующих материалов
при параллельной работе нескольких печей).
Современные АСУТП очень разнообразны и могут отличаться
друг от друга по функциональному составу, степени автоматизации управления
объекта, применяемым технологическим средством и многим другим.
Функционирующие без вычислительного комплекса (система
МАРС на УКТМК, диспетчеризация на ДГМК, БГМК).
АСУТП с ВК, выполняющим информационные функции.
АСУТП с ВК, выполняющие управляющие функции в режиме
«Советчика» (управление через оператора)
АСУТП с ВК, выполняющие функции центрального
управляющего устройства (супервизорное управление). (Осуществляется управление
от ЭВМ непосредственно через регуляторы на объект управления. Оператор
обеспечивает лишь разовые корректировки коэффициентов модели при изменяющихся
характеристиках сырья с клавиатуры).
АСУТП с ВК, выполняющим функции непосредственного
(прямого) цифрового управления (ЭВМ непосредственно воздействует на
исполнительные механизмы, а регулятор вообще исключаются из системы).
Рис. 1. АСУТП с ВК,
выполняющий информационно вычислительные функции
Состав и строение любой АСУТП выбираются так, чтобы система
соответствовала общим техническим требованиям, ГОСТАМ и требованиям,
содержащимся в техническом проекте на создание АСУТП.
В состав любой АСУТП входят следующие крупные основные
части системы:
1. Оперативный персонал
2. Информационное обеспечение
3. Организационное обеспечение
4. Программное обеспечение
5. Техническое обеспечение
Упрощенная схема взаимодействия этих основных частей
показана на рисунке. (Рис. 2)
Рис. 2. Схема
взаимодействия частей АСУТП
Рассмотрим подробнее эту схему:
Прежде всего, напомним себе, что процесс функционирования
АСУТП по существу является процессом целенаправленного преобразования входной
информации в выходную.
Так вот в АСУТП это преобразование выполняется совместно
оперативным персоналом и техническим обеспечением (КТС).
Именно эти две составляющие АСУТП собирают информацию от
объекта и других внешних источников, обрабатывают, анализируют, а затем
принимают решение по управлению и реализуют это управление.
А чтобы люди, т.е. оперативный персонал и комплекс
технических средств функционировали правильно (т.е. в соответствии с принятым
критерием), их необходимо обеспечить соответствующими правилами инструкциями.
Для оперативного персонала эту задачу обеспечивает
документы организационного обеспечения, а для КТС – программное обеспечение.
Совокупность соглашений, т.е. множество принятых форм и
массивов данных документов, перечней, кодов и правил их расшифровки образуют
еще один основной компонент АСУТП – это информационное обеспечение.
Оперативный персонал – состоит из технологов-операторов
(диспетчеров), осуществляющих контроль и управление объектом и
эксплуатационного персонала обеспечивающих эксплуатацию всей техники.
Состав оперативного персонала АСУТП и установленные
взаимоотношения между его работниками определяют организационную структуру
системы.
Организационное обеспечение АСУТП представляет собой
совокупность документов, устанавливающих порядок и правила функционирования
оперативного персонала данной системы (технологические инструкции, регламенты,
инструкция по эксплуатации системы и т. д.)
Техническое обеспечение включает комплекс технических
средств, контроля должна быть достаточной для выполнения всех функции АСУТП.
В состав технического обеспечения входят средства получения
(датчики), преобразования (преобразователи), передачи отображения информации
(УСО, дисплей), управляющие, вычислительные и исполнительные устройства.
Математическое
обеспечение – это совокупность математических методов, моделей и алгоритмов,
используемых при разработке и функционировании системы. (Рассказать о
математических моделях, методах, адаптации, об оптимальности, критерии
управления и т.д., алгоритмах управления, сглаживания, фильтрации и т.д.)
Программное и информационное обеспечения входят в состав
каждой АСУТП имеющей ЭВМ.
Если математическое обеспечение фиксирует идейные аспекты
организации управления, то программное и информационное обеспечение
представляет собой конкретную реализацию комплекса машинных алгоритмов
функционирования системы.
Программное обеспечение охватывает круг решений, связанных
с разработкой и эксплуатационной программ ЭВМ, а информационное обеспечение
определяет способы и конкретные формы информационного отображения состояния
объекта управления, как в виде данных в ЭВМ, так и в виде документов, графиков,
сигналов для их представления специалистам, участвующим в управлении процессом.
3. Использование -систем при создании
АСУТП
Диспетчерское управление и сбор данных ( – ) является
основным и в настоящее время остается наиболее перспективным методом
автоматизированного управления сложными динамическими системами (процессами) в
жизненно важных и критических с точки зрения безопасности и надежности
областях. Именно на принципах диспетчерского управления строятся крупные
автоматизированные системы в промышленности и энергетике, на транспорте, в
космической и военной областях, в различных государственных структурах.
– процесс сбора информации реального времени с удаленных точек (объектов) для
обработки, анализа и возможного управления удаленными объектами. Требование
обработки реального времени обусловлено необходимостью доставки (выдачи) всех
необходимых событий (сообщений) и данных на центральный интерфейс оператора
(диспетчера). В то же время понятие «реального времени» отличается для
различных систем.
Все современные системы включают три основных структурных компонента
(рис.3).
Рис. 3. Основные структурные
компоненты
системы
() – удаленный терминал,
осуществляющий обработку задачи (управление) в режиме реального времени. Спектр
его воплощений широк – от примитивных датчиков, осуществляющих съем информации
с объекта, до специализированных многопроцессорных отказоустойчивых
многопроцессорных отказоустойчивых вычислительных комплексов, осуществляющих
обработку информации и управления в режиме жесткого реального времени.
(), () – диспетчерский пункт управления
(главный терминал); осуществляет обработку данных и управление высокого уровня,
как правило, в режиме мягкого (квази-) реального времени; одна из основных
функций – обеспечение интерфейса между человеком-оператором и системой (, ).
() – коммуникационная
система (каналы связи), необходима для передачи данных с удаленных точек
(объектов, терминалов) на центральный интерфейс оператора-диспетчера и передачи
сигналов управления на
(или удаленный объект в зависимости от конкретного исполнения системы).
Хорошо известными в мире является следующие системы: , , ,
32, и
другие.
Сравнительный анализ АСУТП и АСУП
Управление производством и ТП имеет ряд
отличий:
1) Производством управляют люди, в
процессе управления они воздействуют на людей. Технологическим процессом также
управляют люди, но они воздействуют на “вещи” – средства производства
и предметы труда. Средством труда в современном производстве является машина,
человек получает данные о работе машины – ее состоянии, о наличии и качестве
сырья, материалов и готовой продукции, сравнивает их с плановыми и нормативными
данными, принимает решение и передает его машине, изменяя режим ее работы. В
системе «человек – машина» – человек – субъект управления; машина – объект
управления.
2) Продукт труда в управлении ТП –
продукт производства или услуга. Продукт труда в управлении производством –
информация.
3) При управлении ТП осуществляется
координация составляющих производственного процесса, отдельных технологических
операций технологического процесса, а не людей, как при управлении
производством. Это третье отличие.
4) Управление осуществляется циклично,
длительность циклов зависит от уровня управления. Самые короткие циклы
используются при управлении ТП. В самом коротком цикле управления производством
имеется несколько циклов управления ТП.
5) Только в управлении ТП
можно создать автоматические системы с замкнутой обратной связью. На других
уровнях управление осуществляется людьми, и автоматическое управление
невозможно.
Таблица.
Сравнительный анализ управления ТП и производством
6) Основной объект управления в АСУТП – технологический
процесс, оборудование, в АСУП – объединение производств, производство или его
части.
Автоматизация управления производством (предприятием) основана
на применении современных методов и средств автоматической обработки информации
для учета, анализа, планирования и принятия управленческих решений. В системах
автоматического управления все функции по управлению осуществляются без
непосредственного участия человека с помощью регуляторов, в АСУП и АСУТП
решения по управлению осуществляются совместно персоналом и ТСА (включая ЭВМ).
ТОУ – средства
производства, технологические процессы, используемые в производстве материальных
услуг; АТК – автоматизированный технологический комплекс;
АПК –
автоматизированный производственный комплекс.
Функции АСУП: контроль, учет, анализ, планирование.
Объединение нескольких АСУТП между собой и АСУП,
осуществляемое с целью повышения общей технической и экономической
эффективности, приводит к появлению интегрированных АСУ, которые строятся по
иерархическому принципу.
На верхней ступени стоит отраслевая АСУ (ОАСУ), с которой
последовательно связаны АСУ на предприятии, АСУ в цехах и на участках, а на
нижней ступени находятся АСУТП.
Системы автоматического управления САУ и АСУТП
Автоматизированная система управления технологическим процессом (АСУ ТП) — группа решений технических и программных средств, предназначенных для автоматизации управления технологическим оборудованием на промышленных предприятиях. Может иметь связь с более общей автоматизированной системой управления предприятием (АСУП).
Под АСУ ТП обычно понимается целостное решение, обеспечивающее автоматизацию основных операций технологического процесса на производстве в целом или каком-то его участке, выпускающем относительно завершённое изделие.
Понятие «автоматизированный», в отличие от понятия «автоматический», подчёркивает необходимость участия человека в отдельных операциях, как в целях сохранения контроля над процессом, так и в связи со сложностью или нецелесообразностью автоматизации отдельных операций.
Также, не следует путать понятия «АСУ ТП» и «КИПиА» (контрольно-измерительные приборы и автоматика) в плане специализации работников промышленных предприятий — разделение по видам деятельности, в основном, ведётся на технологическом уровне: специалисты АСУ ТП обслуживают контроллерное оборудование, программное обеспечение, АРМ и их поддержку, в то время как в ответственности специалистов КИПиА находится остальное оборудование и принадлежности, также попадающих под общее понятие «АСУ ТП». В частности, на многих промышленных предприятиях используется следующее правило: «Всё, что от контроллера до клеммников — АСУ ТП, после — КИПиА и других служб».
