Системы автоматизации технологических

ПРЕДИСЛОВИЕ

В настоящее время, когда в производстве используется все боль­ше средств автоматизации и появляются не только полностью ав­томатизированные цеха, но и предприятия, вопросы «сотрудни­чества» человека и машины приобретают первостепенное значе­ние.

Изучение дисциплины «Автоматизация производства» форми­рует у учащихся современные взгляды и подходы к процессу про­изводства, немыслимому в настоящее время без участия машин, в которых в той или иной степени присутствует интеллект. Эти машины все больше берут на себя функции, ранее свойственные только человеку как участнику производственного процесса, — от выполнения простейших операций до решения сложных воп­росов оперативного руководства.

Сегодня необходимо иметь представление о системе «человек-машина», возможном распределении ролей в этой системе, функ­циях машин. При таком подходе не имеет особого значения харак­тер автоматизируемых процессов, так как он выражает уже конк­ретное применение общих принципов создания и функциониро­вания системы «человек—машина», которые являются едиными для любых производственных и технологических процессов и всех отраслей производства.

В данном учебном пособии концентрируется внимание на смыс­ле и специфике передачи машине функций, выполняемых чело­веком, на особенностях и тенденциях этого процесса. Рассматри­вается не то, что автоматизировать, а то, как автоматизировать.

При написании данного учебного пособия авторами использо­вался многолетний опыт преподавания автоматизации производ­ства в Профессиональном колледже № 50 г. Москвы, а также прак­тический опыт по созданию и внедрению систем автоматизации крупных исследовательских установок и производственных участ­ков.

 

ГЛАВА 1

АВТОМАТИЗАЦИЯ ПРОИЗВОДСТВА И ТЕХНИЧЕСКИЙ ПРОГРЕСС

Вспоминается рассказ одного нашего инженера, побывавшего в Японии в командировке еще в 80-е гг. XX в. Случилось так, что первый свой визит на один из крупнейших заводов он совершил в позднее время. В сопровождении японского коллеги они подошли к дверям цеха и, когда хозяин гостеприимно распахнул их перед гостем, последний замер на месте в мистическом ужасе: в полной темноте в огромном помещении ворочалось, шуршало, вздыха­ло, посвистывало, подмигивало огромное механическое чудови­ще. С минуту гость стоял в оцепенении. Наконец, на его вопроси­тельный взгляд японец пояснил, кланяясь и улыбаясь:

— Это гибкое автоматизированное производство. За ним на­
блюдает вон тот оператор.

Вдали на возвышении ярко светилось окно, в котором угады­валась фигура человека.

— А почему в полной темноте-то? — спросил гость.

— А зачем роботам свет? Они прекрасно «видят» все, что им
нужно, — опять с улыбкой ответил хозяин.

Основные понятия

Автоматизация производства базируется на законах кибернетики.

Кибернетика — наука, изучающая системы и методы управле­ния, причем управления чем угодно: машинами, живыми орга­низмами, обществом. Законы управления в живой и неживой при­роде одни и те же. Общие закономерности развития нашей страны в период перехода от социализма к капитализму, оказывается, в сущности не отличаются от закономерностей раскрутки электро­двигателя после подачи напряжения или изменения состояния организма космонавта, осваивающего после выхода на орбиту состояние невесомости.

Автоматика — раздел кибернетики, изучающий теорию и ме­тоды автоматизации производственных процессов.

В данном учебном пособии рассматриваются следующие воп­росы: что такое автоматизация производства, зачем она нужна, с

4

чего она начинается, как она осуществляется, какие технические средства для нее требуются, как они устроены и как работают, как их объединить в единую автоматическую систему и как ею управлять? Рассмотрим понятия «производство» и «автоматиза­ция».

Существуют разные подходы к определению производства — с экономических, технических и социальных позиций. В современ­ном понимании в общем виде производство — это процесс созда­ния материальных и нематериальных благ и услуг, необходимых для существования и развития общества.

Производство можно подразделить на несколько категорий:

•    добывающее производство, обеспечивающее добычу сырья и-з природных запасов (разработка недр, рыболовство и т.д.);

•          сельскохозяйственное производство, связанное с воспроиз­водством животных и растительных продуктов с участием самой природы (растениеводство, животноводство и т.д.);

•    обрабатывающая промышленность, занимающаяся переработ­кой сырья в нужные человеку изделия;

•    транспортные и торговые услуги, суть которых можно свести к перемещению сырья и продукции от производителя к потребителю.

Соответственно процессы добычи, производства, создания, обработки, преобразования и перемещения сырья и готовой про­дукции можно назвать процессами производства, или производ­ственными процессами.

В последнее время существенно выросла доля нематериального производства, связанного с умственной деятельностью человека. Поэтому под продукцией производства можно понимать все то, что изготавливается, добывается, перемещается и создается — это могут быть как материальные, так и духовные ценности: сырье, материалы, изделия, энергия, экономическая и другая информа­ция, произведения искусства, компьютерные программы и игры и многое другое, что является результатом человеческого труда.

Если все многообразие производственных процессов сгруппи­ровать по основным действиям, составляющим суть этих процес­сов, то такими действиями могут быть создание, накопление, преобразование и транспортирование. Эти действия могут произ­водиться над веществом, энергией и информацией. Если объек­том воздействия является информация, то процессы называются информационными, а если вещество и энергия — то технологи­ческими (ТП).

Технологические процессы — это процессы создания, накопле­ния, преобразования и транспортирования материалов, изделий и энергии.

Такое определение технологических процессов является доволь­но общим, абстрактным, но именно эта отвлеченность от конк­ретной специфики различных производств позволяет показать

5

единство подхода к автоматизации всех этих существенно отлича­ющихся друг от друга производств.

Участие человека в производственных процессах, его труд яв­ляется решающим фактором — без этого участия никакое произ­водство в принципе невозможно. Однако формы участия человека в производстве могут быть разными и степень этого участия имеет прямое отношение к изучаемому нами предмету.

Автоматизация — это применение в производстве технических средств, методов и систем управления, освобождающих человека от непосредственного участия в производственных процессах.

В этом определении есть очень важное уточнение: речь идет об освобождении именно от непосредственного участия, т.е. от вы­полнения самим человеком действий, из которых состоит произ­водственный процесс. Человек, обладая разумом, способен создать машины, которые будут выполнять за него эту работу, причем не только физическую, но и умственную.

Цель автоматизации заключается в повышении производитель­ности и эффективности труда, улучшении качества продукции и условий трудовой деятельности человека.

Автоматизация — одно из основных направлений научно-тех­нического прогресса. Автоматизируются процессы добычи и обра­ботки материалов, сборочные, энергетические, транспортные и другие технологические процессы, а также процессы проектиро­вания объектов и сооружений, планирования и управления пред­приятиями и организациями, научные исследования, медицин­ское диагностирование, программирование, инженерные расче­ты и др.

Роль человека в этих процессах и на разных их этапах различна. Главная черта человека — способность разумно мыслить. Можно создать механизм, который будет поднимать груз в 1 000 раз боль­ший, чем может поднять человек, или сделать устройство, кото­рое будет в 100 раз быстрее пришивать пуговицы, но пока еще не существуют машины, способной хотя бы приблизиться к челове­ку в способности мыслить.

Поэтому освобождение человека от участия в производстве наиболее эффективно там, где мыслительные способности чело­века используются меньше всего, — в сфере тяжелого физическо­го труда, а также труда монотонного и однообразного, вызываю­щего умственное утомление. Оно эффективно и в непрерывных производствах, так как заменяющие человека машины не требу­ют перерывов на обед и могут работать круглосуточно без выход­ных и отпусков. Оно необходимо там, где нужна быстрота реак­ции, не доступная человеку, и там, где человеку находиться про­сто опасно.

Такие виды нематериального производства, как проектирова­ние, программирование, организация и управление предприяти-

6

ями, сфера образования, искусства, гораздо в большей степени опираются на мыслительную деятельность человека. Здесь без не­посредственного участия человека, полного или частичного, не обойтись. Конечно, и здесь есть процессы, от которых человека стоит освободить (например, создание баз данных, поиск доку­ментов и т.д.), но в целом это, скорее, не исключение человека из производственного процесса, а помощь тем, кто занят в этих сферах трудовой деятельности.

Особенно важно, в первую очередь, освобождение человека от непосредственного участия в процессах именно материального производства, т.е. в технологических процессах. Это направление автоматизации, т.е. автоматизацию технологических процессов, мы и будем рассматривать.

Технологические процессы реализуются с помощью оборудо­вания, которое тоже называется технологическим. Для того чтобы процесс протекал так, как запланировано, этим оборудованием надо управлять, т.е. воздействовать на него по определенным пра­вилам.

Совокупность технологического оборудования, реализующего ТП, является объектом управления. Таким объектом может быть и автомобиль с его оборудованием — рулевым управлением, тормо­зами и коробкой передач, которыми управляет водитель, и само­лет, где управление может быть поручено автоматическому уст­ройству — автопилоту, и металлургический завод с практически полностью автоматизированными цехами.

Любой технологический процесс организуется для достижения какой-то цели, получения какой-то конечной продукции. Для обеспечения высокого качества этой продукции необходимо кон­тролировать как ход ТП, так и работу самого технологического оборудования. Это можно сделать, только собрав о них всесторон­нюю информацию.

Протекание ТП и состояние оборудования в каждый момент времени характеризуются различными физическими величинами: температурой, давлением, перемещением, скоростью, ускорени­ем, расходом жидкостей и газов, электрическим напряжением, силой тока и т.д. Эти величины называются технологическими па­раметрами. В ходе технологического процесса и работы оборудова­ния значения этих величин непрерывно меняются. Для осуществ­ления контроля оператор, ведущий процесс, должен получать сведения о значении технологических параметров и об их измене­нии в удобном для него виде, т.е. со всеми необходимыми обоб­щениями, анализами и прогнозами. Таким образом, контроль вклю­чает в себя сбор, обработку, анализ и выдачу оператору информа­ции о ТП и работе оборудования.

Полученная в процессе контроля информация используется для воздействия на технологическое оборудование с целью обеспече-

7

ния протекания ТП в полном соответствии с запланированным его ходом, т. е. для управления технологическим процессом.

Автоматизация технологических процессов — это применение технических средств, методов и систем управления для сбора, обработки, анализа и выдачи информации о технологических па­раметрах и воздействия по результатам анализа на технологиче­ский процесс.

Системы автоматизации технологических

Процессов

Любая система представляет собой совокупность находящихся во взаимной связи частей этой системы. Мы рассматриваем систе­мы, способные осуществлять автоматизацию технологических про­цессов, т.е. собирать, обрабатывать и анализировать информацию, характеризующую состояние ТП, выводить ее оператору, а также через оператора или самостоятельно осуществлять управляющие воздействия на ТП. Очевидно, это должен быть набор технических средств, взаимодействие которых должно происходить по опреде­ленным законам так, чтобы обеспечить запланированное проте­кание технологического процесса. Такую систему называют авто­матизированной, или автоматической, системой управления тех­нологическим процессом.

Автоматизированная (автоматическая) система управления тех­нологическими процессами (АСУ ТП) — это совокупность техни­ческих средств и методов сбора, обработки, анализа и выдачи информации и воздействия на ТП, которые во взаимодействии с человеком и (или) между собой обеспечивают запланированное протекание технологического процесса.

Различие между автоматизированной и автоматической систе­мами управления связано с распределением задач между челове­ком и техническими средствами.

Если принятие и реализация решения о воздействии на ТП по результатам анализа информации о технологических параметрах производится человеком, то такая система управления называет­ся автоматизированной (рис. 1.1, а). В такой системе человек полу­чает информацию о технологических параметрах и результаты ее анализа в виде сообщений, таблиц и графиков на экране дисплея и через другие средства аудиовизуального представления инфор­мации. Часто система рассчитывает на основе этих данных реко­мендуемые значения управляющих воздействий на ТП, однако решение вопроса об использовании этих рекомендаций остается за человеком. С одной стороны, человек может быть источником ограничений: иногда он не может принять быстрого решения, а иногда может принять неправильное решение.

8

 

С другой стороны, включение человека в систему управления ТП позволяет избежать аварийных ситуаций при выходе из строя каких-либо элементов системы управления, так как человек мо­жет выбрать и принять необходимое решение и продолжить тех­нологический процесс даже при отсутствии части информации (на помощь приходят опыт, квалификация и интуиция). Напри­мер, выход из строя датчика температуры в системе аварийной защиты, отключающей технологическое оборудование, может быть воспринят человеком (оператором) как информация к размыш­лению: оценив ситуацию, он может и не прерывать процесс, если остальные параметры находятся в норме.

Если система управления по результатам анализа информации сама принимает и реализует решение о воздействии на ТП, то такая система называется автоматической, или системой с замк­нутой обратной связью (рис. 1.1, б). Такая система управления соединена с объектом управления не только на входе, где она получает информацию о технологических параметрах, но и на выходе, где она создает управляющие воздействия на технологи­ческий процесс. Человек не принимает непосредственного учас­тия в управлении и является лишь наблюдателем, готовым вме­шаться в аварийных ситуациях.

Хотя в автоматических системах управления всегда есть про­граммы отработки аварийных ситуаций, интеллект человека, с одной стороны, всегда выше интеллекта машины и он может пред­видеть развитие событий, не доступное машинному анализу. С дру­гой стороны, скорость реагирования системы на аварийную ситу­ацию может быть намного выше скорости реакции человека. Тра­гическим результатом отстранения системы защиты от слежения за ситуацией является авария на атомной электростанции в Чер­нобыле в 1986 г.

Как было сказано ранее, сбор, обработка и анализ информа­ции о ТП и работе оборудования относятся к сфере контроля. Рас-

9

смотренное включение человека в систему управления происхо­дит на этапе принятия решения по результатам анализа, т.е. уже по результатам контроля. Поэтому та часть технических средств системы управления, которая выполняет операции контроля, ра­ботая без вмешательства человека, может быть рассмотрена как отдельная автоматическая система контроля (АСК). Когда говорят об автоматизированной или автоматической системе управления, всегда подразумевают наличие в ее составе АСК.

Кроме систем контроля и управления есть еще одна разновид­ность автоматических систем. Она связана с частным случаем уп­равления, имеющим целью поддерживать постоянство или изме­нение по заданному закону какого-то одного технологического параметра. Эта разновидность управления называется регулирова­нием, и реализует ее система автоматического регулирования (САР).

Реальные АСУ ТП являются комбинированными, т.е. одни тех­нологические параметры поддерживаются с помощью САР, дру­гие отслеживаются техническими средствами самой АСУ, в со­став которой входит и АСК.