Состав и структура асу

Принципы системного характера

1. Установление перечня и частоты подготовки информации, необходимой коллективу специалистов аппарата управления для анализа производственно-хозяйственных ситуаций и принятия решений. Функционирование ЭВМ в замкнутом контуре управления вызывает необходимость установления конкретных форм выработки данных и документации, представляющих информацию специалистам аппарата управления.

В процессе разработки АСУ необходимо различать три группы документации. Первая группа документации определяется вышестоящими органами управления. Эта документация — формы отчетов, планов и т. п. — не может быть изменена и поэтому принимается за основу. Вторая группа — это документы действующей системы управления, сохраняемые в новой системе для обеспечения удобства деятельности человека. Третья группа выходных документов вырабатывается с учетом требований новой модели системы управления и анализа организации управленческого труда в подразделении аппарата.

2. Максимальное освобождение аппарата управления от сведений, не используемых в процессе решения оперативных задач. Это достигается путем:

а) автоматизации решений наиболее массовых производственно-хозяйственных задач. При этом в первое время процесс автоматизации принятия решений может осуществляться на основе элементарных процедур, а впоследствии — на базе экономико-математического моделирования;

б) перехода к выдаче данных с помощью ЭВМ на основе системы запросов, т. е. к подготовке данных только по требованию работников аппарата управления.

3. Организация централизованной нормативно-справочной базы в памяти ЭВМ. Единая нормативно-справочная база, обслуживая различные функции управления, обеспечивает интеграцию и сопоставимость принимаемых решений. В экономическом плане наличие такой базы позволяет резко повысить качество планирования производства на основе лучшей сбалансированности показателей плана и сокращения всякого рода потерь от недостатка пли избытка запасов в какой-либо момент времени. Реализация управленческих расчетов на основе единой нормативно-справочной базы существенно упрощает функционирование аппарата управления, избавляя его подразделения от рутинных работ.

4. Организация потока данных между системой и объектом управления через ЭВМ. Весь поток первичной документации, регистрирующей состояние производства и необходимой для контроля выполнения и корректировки планов деятельности, должен из пунктов формирования непосредственно вводиться в ЭВМ. В ЭВМ первичная информация должна синтезироваться с хранимыми здесь нормативно-справочными данными; далее без дополнительных сведений должны производиться все последующие операции выработки необходимой аппарату управления документации и передаваться ему (представлено на рисунке ниже).

Блок-схема принятия решения ЭВМ по обеспечению материальными ресурсами

Перевод потока данных непосредственно в ЭВМ освобождает работников аппарата управления от ручных операций, связанных с получением и обработкой первичной документации.

5. Одноразовая фиксация фактических данных в первичных документах.

Это означает, что в первичной документации должны отражаться только сведения, характеризующие фактическое состояние динамики производства. Из документации должны быть исключены всякого рода нормативные и справочные сведения, ибо все нормативно-справочные данные уже зафиксированы и

хранятся в памяти ЭВМ. Исключение расчетных и справочных показателей позволяет упростить первичную документацию и тем самым снизить трудоемкость управленческих работ в низовом звене управления.

6. Непрерывное обновление нормативно-справочных данных, хранящихся в памяти ЭВМ. Любые изменения конструкции изделий и технологии изготовления должны находить отражение в нормативно-справочных данных, хранящихся в памяти ЭВМ.

7. Органический синтез всех элементов АСУ в пространстве и времени, а также установление строгого графика их функционирования в процессе решения задач управления. При разработке АСУ должны быть органически увязаны методы и средства решения задач управления, обеспечены подготовка необходимых инструкций и программ и обучение персонала управления.

Техническая база АСУ

Аппаратура передачи данных осуществляет обмен информацией между различными элементами АСУ (между регистраторами производства и ЭВМ, между координационно-управляющим центром и цеховыми ЭВМ и т.д.), а также между АСУ и смежными управления уровнями (например, между АСУП и ОАСУ, между территориальными вычислительными центрами).

Супервизорное управление.

В этой схеме АСУТП используется в замкнутом контуре, т.е. установки регуляторам задаются непосредственно системой (Рисунок 14.7).

Рисунок 14.7 – Схема супервизорного управления

Задача режима супервизорного управления – поддержание ТП вблизи оптимальной рабочей точки путем оперативного воздействия на него. В этом одно из главных преимуществ данного режима. Работа входной части системы, и вычисление управляющих воздействий мало отличается от работы системы управления в режиме советчика. Однако, после вычисленных значений уставок, последние преобразовываются в величины, которые можно использовать для изменения настроек регуляторов.

Если регуляторы воспринимают напряжения, то величины вырабатываемые ЭВМ, должны быть преобразованы в двоичные коды, которые с помощью цифро-аналогового преобразователя превращаются в напряжения соответствующего уровня и знака. Оптимизация ТП в этом режиме выполняется периодически, напр. один раз в день. Должны быть введены новые коэффициенты в уравнения контуров управления. Это осуществляется оператором через клавиатуру, или считывая результаты новых расчетов, выполненные на ЭВМ более высокого уровня. После этого АСУТП способна работать без вмешательства извне в течение длительного времени.

Примеры АСУТП в супервизорном режиме:

1. Управление автоматизированной транспортно-складской системы. ЭВМ выдает адреса стеллажных ячеек, а система локальной автоматики кранов-штабелеров отрабатывает перемещение их в соответствии с этими адресами.

2. Управление плавильными печами. ЭВМ вырабатывает значения уставок электрического режима, а локальная автоматика управляет переключателями трансформатора по командам ЭВМ.

3. Станки с ЧПУ управление через интерполятор.

Таким образом, супервизорные системы управления функционирующая в режиме супервизорного управления (супервизор — управля­ющая программа или комплекс программ, программа-диспетчер), предназначена для организации многопрограммного режима работы ППК и пред­ставляет собой двухуровневую иерархическую систему, обла­дающую широкими возможностями и повышенной надежностью. Управляющая программа определяет очередность выполнения программ и подпрограмм и руководит загрузкой устройств ППК.

В супервизорной системе управления часть параме­тров управляемого процесса и логико-командного управления управляется локальными автоматическими регуляторами (АР) и ППК, обрабатывая измерительную информацию, рассчитывает и устанавливает оптимальные настройки этих регуляторов. Осталь­ной частью параметров управляет ППК в режиме прямого цифро­вого управления.

Входной информацией являются значения неко­торых управляемых параметров, измеряемых датчиками Ду локальных регуляторов; контролируемые параметры состояния управляемого процесса, измеряемые датчиками Дк. Нижний уровень, непосредственно связанный с технологиче­ским процессом, образует локальные регуляторы отдельных технологических параметров. По данным, поступающим от дат­чиков Ду и Дк через устройство связи с объектом, ППК выраба­тывает значения уставок в виде сигналов, поступающих непосред­ственно на входы систем автоматического регулирования.

Управление в режиме сбора данных

После этапа идентификации необходимо выбрать схему управления ТП, которая, как правило, строится с учетом применения принципов управления, определяющих режим функционирования АСУТП. Наиболее простой и исторически первой появилась схема управления ТП в режиме сбора данных. При этом АСУ подсоединяется к процессу способом, выбранным инженером-технологом (рисунок 14.5).

Интересующие инженера-технолога переменные преобразуются в цифровую форму, воспринимаемую системой ввода и помещается в памяти ППК (ЭВМ). Величины на этом этапе являются цифровыми представлениями напряжения, генерируемого датчиками. Эти величины по соответствующим формулам преобразуются в технические единицы. Например, для вычисления температуры, замеряемой с помощью термопары, может использоваться формула T = A*U2 + B*U + C, где U – напряжение с выхода термопары; A, B и C – коэффициенты.

Результаты вычислений регистрируются устройствами вывода АСУТП для последующего использования инженером-технологом. Главной целью сбора данных является изучение ТП в различных условиях. В результате инженер-технолог получает возможность построить и (или) уточнить математическую модель ТП, которым нужно управлять. Сбор данных не оказывает прямого воздействия на ТП, в нем нашел осторожный подход к внедрению методов управления, основанных на применении ЭВМ. Однако даже в самых сложных схемах управления ТП система сбора данных для целей анализа и уточнения модели ТП используется как одна из обязательных подсхем управления.

Рисунок 14.5 – Система сбора данных

Управление в режиме советчика оператора

Этот режим предполагает, что ППК в составе АСУТП работает в ритме ТП в разомкнутом контуре (в реальном времени), т.е. выходы АСУТП не связаны с органами, управляющими ТП. Управляющие воздействия фактически осуществляются оператором-технологом, получающим указания от ППК (рисунок 14.6).

Рисунок 14.6 – АСУТП в режиме советчика оператора

Все необходимые управляющие воздействия вычисляются ППК в соответствии с моделью ТП, результаты вычислений представляются оператору в печатном виде (или в виде сообщений на дисплее). Оператор управляет процессом, изменяя уставки регуляторов. Регуляторы являются средствами поддержания оптимального управления ТП, причем оператор играет роль следящего и управляющего звена. АСУТП играет роль устройства, безошибочно и непрерывно направляющего оператора в его усилиях оптимизировать ТП.

Схема системы советчика совпадает со схемой системы сбора и обработки информации.

Способы организации функционирования информационно-сове­тующей системы следующие:

– вычисление управляющих воздей­ствий производится при отклонениях параметров управляемого процесса от заданных технологических режимов, которые иниции­руются программой-диспетчером, содержащей подпрограмму ана­лиза состояния управляемого процесса;

– вычисление управляющих воздействий инициируется оператором в форме запроса, когда оператор имеет возможность ввести необходимые для расчета дополнительные данные, которые невозможно получить путем измерения параметров управляемого процесса или содержать в системе как справочные.

Эти системы применяют в тех случаях, когда требуется осто­рожный подход к решениям, выработанным формальными мето­дами.

Это связано с неопределенностью в математическом описа­нии управляемого процесса:

– математическая модель недостаточно полно описывает технологический (производственный) процесс, так как учитывает лишь часть управляющих и управляемых параметров;

– математическая модель адекватна управляемому процессу лишь в узком интервале технологических параметров;

– критерии управления носят качественный характер и существенно изменяются в зависимости от большого числа внешних факторов.

Неопределенность описания может быть связана с недостаточ­ной изученностью технологического процесса или реализация адекватной модели потребует применения дорогостоящей ППК.

При большом разнообразии и объеме дополнительных данных общение оператора с ППК строится в форме диалога. Например, в алгоритм вычисления технологического режима включаются альтернативные точки, после которых процесс вычисления может продолжаться по одному из нескольких альтернативных вариан­тов. Если логика алгоритма приводит процесс вычисления к опре­деленной точке, то расчет прерывается и оператору посылается запрос о сообщении дополнительной информации, на основе которой выбирается один из альтернативных путей продолжения расчета. ППК играет в данном случае пассивную роль, связанную с обработкой большого количества информации и ее представле­нием в компактном виде, а функция принятия решений возла­гается на оператора.

Основной недостаток этой схемы управления заключается в постоянном наличии человека в цепи управления. При большом числе входных и выходных переменных такая схема управления не может применяться из-за ограниченных психофизических возможностей человека. Однако управление этого типа имеет и преимущества. Оно удовлетворяет требованиям осторожного подхода к новым методам управления. Режим советчика обеспечивает хорошие возможности для проверки новых моделей ТП; в качестве оператора может выступать инженер-технолог, “тонко чувствующий” процесс. Он наверняка обнаружит неправильную комбинацию уставок, которую может выдать не окончательно отлаженная программа АСУТП. Кроме того, АСУТП может следить за возникновением аварийных ситуаций, так что оператор имеет возможность уделять больше внимания работе с уставками, при этом АСУТП следит за большим числом аварийных ситуаций, чем оператор.

Непосредственное цифровое управление.

В НЦУ сигналы, используемые для приведения в действие управляющих органов, поступают непосредственно из АСУТП, и регуляторы вообще исключаются из системы. Концепция НЦУ, при необходимости, позволяет заменить стандартные законы регулирования на т.н. оптимальные с задаваемой структурой и алгоритмом. Например, может реализоваться алгоритм оптимального быстродействия и др.

АСУТП рассчитывает реальные воздействия, и передает соответствующие сигналы непосредственно на управляющие органы. Схема НЦУ показана на рисунке 14.8.

Рисунок 14.8 – Схема непосредственного цифрового управления (НЦУ)

Уставки вводятся в АСУ оператором или ЭВМ, выполняющей расчеты по оптимизации процесса. При наличии системы НЦУ оператор должен иметь возможность изменять уставки, контролировать некоторые избранные переменные, варьировать диапазоны допустимого изменения измеряемых переменных, изменять параметры настройки и вообще должен иметь доступ к управляющей программе.

Одно из главных преимуществ режима НЦУ заключается в возможности изменения алгоритмов управления для контуров простым внесением изменений в хранимую программу. Наиболее очевидный недостаток НЦУ проявляется при отказе ЭВМ.

Таким образом, системы прямого цифрового управления (ПЦУ) или непосредственного цифрового управления (НЦУ, DDC). ППК непосредственно вырабатывает оптимальные управляющие воздействия и с помощью соответствующих преобразователей передает команды управле­ния на исполнительные механизмы.

Режим непосред­ственного цифрового управления позволяет:

– исключить локальные регуляторы с задаваемой уставкой;

– применять более эффективные принципы регулирования и управления и выбирать их оптималь­ный вариант;

– реализовать оптимизирующие функции и адаптацию к изменению внешней среды и переменным параметрам объекта управления;

– снизить расходы на техническое обслуживание и унифицировать средства контроля и управления.

Этот принцип управления применяют в стан­ках с ЧПУ. Оператор должен иметь воз­можность изменять уставки, контролировать выходные пара­метры процесса, варьировать диапазоны допустимого измене­ния переменных, изменять па­раметры настройки, иметь дос­туп к управляющей программе в подобных системах упрощается реализация режимов пуска и останова процессов, переключение с ручного управления на автоматическое, операции переключения исполнительных механизмов. Основной недостаток подобных систем заключается в том что надежность всего комплекса определяется надежностью устройств связи с объектом и ППК, и при выходе из строя объект теряет уп­равление, что приводит к аварии. Выходом из этого положения является организация резервирования ЭВМ, замена одной ЭВМ системой машин и др.

Обеспечивающие подсистемы

Обеспечивающие подсистемы АСУ включают набор элементов, которые обусловливают решение задач управления, т. е. оперирование функциональными подсистемами. Обеспечивающими подсистемами являются: коллектив специалистов аппарата управления, осуществляющий процессы анализа данных и принятия решений, а также обработки данных. Кроме того, определенная часть коллектива специалистов аппарата управления обычно занимается вопросами разработки и развития (совершенствования) самой системы управления объектом, выполняя таким образом функцию саморазвития системы управления данным объектом (предприятием или отраслью);

Комплекс технических средств, с помощью которых осуществляются сбор, передача, хранение и обработка данных. Кроме того, в АСУ комплексу технических средств частично передается право принятия решения в определенных областях хозяйственной деятельности;

Схема организационно-функциональных подсистем

схема формирования потоков и хранения данных, наполняющих комплекс моделей управления конкретным содержанием;

программы и инструкции, организующие функционирование технического комплекса и коллектива специалистов в процессе реализации задач управления, т. е. комплекса моделей.

В АСУ элементы функциональных и обеспечивающих подсистем распределяются по отдельным подразделениям предприятий. В этом проявляется третий признак классификации элементов автоматизированных систем управления производством — их положение в иерархической организации структуры аппарата управления.

Положение отдельных элементов в иерархической организационной структуре обусловливает выделение в АСУ третьего типа подсистем — организационно-функциональных. В настоящее время организационно-функциональные подсистемы АСУ, формируемые по производственным подразделениям, представляются следующими службами:

• конструкторско-технологическими;
• планово-экономическими;
• производственно-диспетчерскими;
• материального обеспечения производства;
• регулирования трудовыми ресурсами;
• поддержания основных фондов;
• бухгалтерского учета;
• сбыта продукции;
• финансовых расчетов;
• обеспечивающими процесс обработки данных и обслуживание других подразделений;

Принципы экономико-математического характера

1. Определение объекта и органа управления как системы и построение ее модели. Общая модель системы управления должна отображать взаимосвязь всех аспектов и методов планирования и регулирования производственно-хозяйственной деятельности. Модель системы управления на основе системного описания объекта можно представить в виде:

• общего описания закономерностей производственно-хозяйственной деятельности предприятий;
• математических формул и уравнений, отражающих характер закономерностей развития и функционирования производства;
• блока схем взаимосвязи факторов развития и функционирования производства.

Разработка модели системы управления в той или иной форме представления требует различных глубин исследования и затрат ресурсов. Для минимизации затрат времени, повышения эффективности исследования на первых этапах проектирования целесообразна разработка экономико-организационной модели в виде общего описания или схемного представления.

2. Определение приоритета отдельных задач управления и очередности их разработки в рамках общей модели управления. Невозможность построения общей рабочей модели системы управления обусловливает необходимость оценки важности и установления очередности разработки и внедрения отдельных задач управления. Это производится на основе диагностического анализа, который позволяет получить оценки качества решения задач управления — величины резервов из-за их несовершенного решения.

Выбранный в результате диагностического анализа комплекс первоочередных задач управления определяет направления дальнейших исследований и работ по созданию АСУ. В то же время последующие комплексы задач управления представляют собой перспективы, новые задачи АСУ. Установление задач, подлежащих разработке и внедрению в ходе развития АСУ, позволяет более четко направить дальнейшие исследования и работы.

3. Воссоединение замкнутого контура управления в АСУ. Реализация какой-либо задачи должна охватывать по возможности все циклы управления: прогнозирование, планирование, организацию производства, оперативное управление, учет и контроль хода выполнения плана.

Воссоединение всех циклов управления в разрезе выделенных задач значительно ускоряет процессы принятия решений и уменьшает неконтролируемый период функционирования производства. Это обеспечивает понижение степени резервирования производства материальными и иными ресурсами, что, в конечном счете, повышает эффективность его деятельности.

Математическое обеспечение АСУ

Математическое обеспечение АСУ – комплекс программ регулярного применения, управляющих работой технических средств и функционированием информационные базы и обеспечивающих взаимодействие человека с техническими средствами АСУ. Математическое обеспечение условно можно подразделить на систему программирования, операционную систему, общесистемный комплекс и пакеты типовых модулей.

Пакеты типовых прикладных модулей (стандартных подпрограмм) могут использоваться в различных комбинациях при решении той пли иной функциональной задачи. Типовыми, например, являются прикладные модули сортировки данных, статистической обработки информации, обработки сетевых графиков планирования и управления, моделирования реальных процессов и др. К математическому обеспечению АСУ часто относят также программы функционального анализа системы, обеспечивающие удобство эксплуатации и совершенствования системы.

Функциональная часть АСУ

Структура АСУ ТП

В производственных АСУ ТП системы обычно строятся по трехуровневому принципу.

Нижний уровень (полевой уровень, field) АСУ ТП представляет собой различные датчики (сенсоры) и исполнительные механизмы.

На нижнем уровне система решает следующие основные задачи:

сбор первичной информации с исполнительных узлов БСУ;

анализ собранной информации;

отработка логики технологического процесса при производстве бетона с учетом всех современных требований;

выдача управляющих воздействий на исполнительные устройства.

На верхнем уровне система решает другие задачи:

визуализация основных технологических параметров с БСУ (состояние исполнительных органов, ток потребления миксера, вес дозируемых материалов и т.д.);

архивирование всех параметров процесса производства бетона;

выдача команд на воздействие исполнительными органами БСУ;

выдача команд на изменение параметров внешних воздействий;

разработка и хранение рецептур бетонных смесей.

Рисунок 3 – Типовая структура современной промышленной АСУ ТП