Понятие об автоматизированных системах управления технологическим процессом (АСУТП)

Автоматизированная система управления технологическим про­цессом (АСУТП) — это человеко-машинная система управления, обеспечивающая автоматизированный сбор и обработку информа­ции, необходимой для оптимизации управления технологическим объектом в соответствии с принятым критерием.

За критерий управления АСУТП принимают соотношение, ха­рактеризующее качество функционирования технологического объекта управления (ТОУ) в целом и принимающее конкретные числовые значения в зависимости от используемых управляющих воздействий.

Главной задачей большинства АСУТП является получение опре­деленных технико-экономических результатов:

- повышение произ­водительности труда;

- снижение затрат живого труда и трудоемкости производства;

- экономия энергетических ресурсов, вспомогатель­ных материалов, тары и т. п.;

- обеспечение безопасности функцио­нирования объекта;

- повышение или стабилизация качества выпус­каемой продукции или обеспечение заданных значений параметров готовых изделий;

- достижение оптимальной загрузки оборудования;

- оптимизация режимов работы технологического оборудования.

При постановке задач оптимизации наряду с критериями должны быть заданы ограничения на все параметры и переменные техноло­гического процесса, т. е. допустимые изменения, которые опреде­ляют функционирование технологического процесса. Достижение поставленных задач осуществляется реализацией функций. На вычислительную технику возложены задачи управления пуском и остановом технологического оборудования, контроля его состояния и защиты от перегрузок, поддержания заданного режима работы оборудования и стабилизации отдельных технологических параметров, оптимизации качественных и количественных показателей работы отдельных агрегатов и технологического объекта в целом и т.п.

С функциональной точки зрения АСУТП представляет собой программно-технический комплекс (ПТК или автоматизирован­ный технологический комплекс - АТК), осуществляющий во взаимодействии с человеком ввод, обработку и отображение сигналов, характеризующих состояние технологического процесса (ТП), а также, при необходимости, выработку управляющего воздействия для управления ТП. ТОУ и АСУТП функционируют со­вместно. Совокупность ТОУ и АСУТП образует программно-технический комплекс или управляющий вычислительный комплекс.

Обобщенная функциональная структура АСУТП показана на рисунке 1, она иллюстрирует организацию работы АСУТП.

Функции АСУТП следует отличать от функций, выполняемых всем комплексом технических средств системы или его отдельными устройствами. Они могут быть управляющими, информационными и вспомогательными.

Управляющие функции АСУТП — это выработка и реализация управляющих воздействий на ТОУ. Управляющие функции реализуются процедурами блока формирования управляющих воздей­ствий, в котором в соответствии с заложенными алгоритмами и ин­струкциями формируются управляющие решения и соответствую­щие воздействия на ТОУ и блок задания в целях максимизации или минимизации критерия оптимальности. Сформированные управ­ляющие воздействия реализуются на ТОУ исполнительными орга­нами.

рис.1

Информационные функции АСУТП — это функции системы по сбору, обработке и предоставлению информации о состоянии ТОУ оператору или на последующую обработку в блок формирования управляющих воздействий. В процессе обработки информации вы­полняются операции суммирования, сглаживания, вычисления косвенных показателей, которые не могут быть определены непос­редственно при контроле сопоставления текущих значений пара­метров технологического процесса с заданными. Одновременно могут осуществляться подготовка и передача информации в смеж­ные системы управления, обобщение результатов и прогноз состоя­ния ТОУ и технологического оборудования. Отличительной осо­бенностью управляющих и информационных функций АСУТП яв­ляется их направленность на конкретного потребителя.

Вспомогательные функции обеспечивают решение внутрисис­темных задач. В отличие от управляющих и информационных функций АСУТП они предназначены для обеспечения собственного функционирования автоматизированной системы управления.

Общее в функциональной структуре АСУТП и функциональной схеме системы регулирования то, что в обеих сохраняются основ­ные функции — измерение, сопоставление, вычисление и органи­зация регулирующего (управляющего) воздействия. Однако вслед­ствие необходимости обработки чрезвычайно больших потоков ин­формации, поступающих в ТОУ, сложности этой обработки, при­менения алгоритмов принятия оптимальных решений, необходимости корректировки совокупности параметров ТОУ АСУТП- приобрела качественно новое свойство — обеспечение в соответствии с заданным критерием управления наилучших резуль­татов функционирования всего технологического процесса.

При планировании, проведении и обобщении разработок АСУТП следует иметь в виду их разнообразие. В основу классифи­кации положены следующие принципы: выбор систем-аналогов на ранних этапах разработки АСУТП, оценка необходимых ресурсов при укрупненном планировании работ по созданию АСУТП, опре­деление качества (научно-технического уровня), определение сте­пени полезности АСУТП в условных единицах.

АСУТП классифицируют в основном по:

- уровню, занимаемому ТОУ и АСУТП в структуре предприятия;

- по характеру протекания технологического процесса во времени;

- по показателю условной информационной мощности ТОУ;

- по уровню функциональной на­дежности АСУТП;

- по типу функционирования АСУТП.

По уровню, занимаемому ТОУ в структуре предприятия, АСУТП делят на три подкласса:

- АСУТП нижнего уровня (технологические агрегаты, установки, участки);

- АСУТП верхнего уровня (группы ус­тановок, цехи, производства);

- АСУТП многоуровневые (включают АСУТП нижнего уровня).

Число уровней управления определяется масштабностью предприятия, численностью отдельных технологи­ческих процессов, их взаимосвязями между собой, структурой про­изводства в целом.

По характеру протекания технологического процесса во време­ни различают:

Н-АСУ непрерывным технологическим процессом, характер протекания — с длительным поддержанием режимов, близких к ус­тановившимся, и практически безостановочной подачей сырья и реагентов, что создает хорошие условия для организации непре­рывного сбора информации о ТОУ с помощью датчиков и ввода этой информации непосредственно в ЭВМ АСУТП. После обработ­ки информации в ЭВМ принятые решения и соответствующие уп­равляющие воздействия могут непосредственно передаваться из АСУТП на ТОУ;

П-АСУ непрерывно-дискретным технологическим процессом с сочетанием непрерывных и прерывистых режимов функциони­рования технологических агрегатов или на различных стадиях процесса;

Д-АСУ дискретным технологическим процессом с незначитель­ной продолжительностью технологических операций. Дискретные процессы характеризуются большим числом изделий, информация о которых частично может формироваться и вводиться в АСУТП автоматически от датчиков, а частично — вручную от различных ус­тройств регистрации и ввода информации. После обработки ин­формации и формирования рекомендаций последние передаются непосредственно оперативно-производственному персоналу, кото­рый реализует их на ТОУ.

По показателю условной информационной мощности в зависи­мости от числа параметров объекта системы делят на пять групп.

По уровню функциональной надежности системы классифици­руют на АСУТП с минимальным уровнем (не требует регламента); АСУТП со средним уровнем (с регламентом, но отказы не приводят к остановке работы ТОУ); АСУТП высокого уровня (с жестким рег­ламентом, так как отказы в управлении могут привести к остановке ТОУ или авариям),

По типу функционирования АСУТП разделяют по совокупнос­ти автоматически выполняемых информационных и управляющих функций системы:

И-АСУТП информационная автоматически выполняет только информационные функции без программно-технического комплекса (ПТК), а ре­шение по управлению принимает и реализует оператор;

Л-АСУТП локально-автоматическая с ПТК автоматически выполняет информационные функции и функции локального управления (регулирования). Решения по уп­равлению в целом принимает и реализует оператор;

С-АСУТП советующая с ПТК автоматически выполняет функции информационные, ло­кального управления и с помощью модели процесса формирует со­веты по выбору управляющих воздействий с учетом критерия;

А-АСУТП автоматическая выполняет автоматически все функ­ции, включая управление процессом по критерию. В состав систе­мы могут входить ПТК, выполняющий функ­ции центрального управляющего устройства (супервизорное управ­ление), и ПТК, выполняющий функции пря­мого цифрового управления.

И-АСУТП информационная наиболее проста, функциональная структура этой системы показана на рисунке 2.

На ТОУ размещены датчики различных технологических пара­метров, информация от которых поступает либо непосредственно на автоматические системы регулирования и защиты, либо на пульт управления. С пульта управления оператор на основании полученной информации о состоя­нии технологического процес­са подает управляющие воздей­ствия через исполнительные механизмы.

Рис. 2. Структура АСУТП, функционирующей без ПТК

Л-АСУТП, имеющая программно-технический комплекс (рис.3), обрабатывает информацию от ТОУ и других АСУ, определяет комплексные технологические и технико-экономические показатели, на основании которых оператив­ный персонал оценивает ход технологического процесса и контролирует состояние и рабо­ту оборудования. Данные из информационно-вычислительного комплекса выводятся на пульт уп­равления или передаются в вышестоящую АСУ. Управляющие воз­действия направляются с пульта управления и через исполнитель­ные механизмы реализуются в ТОУ.

С-АСУТП с ПТК в ре­жиме «советчика» имеет аналогичную Л-АСУТП функциональную структуру. Отличие состоит в том, что в ПТК С-АСУТП поступающая информация анализируется и оперативно­му персоналу выдаются решения-советы по управлению ТОУ. На оперативный персонал в этих системах возлагаются функции при­нятия окончательных решений и организации воздействий на ТОУ. Эта система эффективна в случаях, когда объект недостаточно изу­чен, опробуются новые способы управления, учитываются функци­ональные возможности человека-оператора.

Рис. 3. Структура АСУТП, выполняющей информационные функции

А-АСУТП с ПТК, выполняющим функ­ции супервизорного управления, т.е. многопрограммного режима работы вычислительной системы, — это система, в которой программно-технический комплекс включен в замкнутый контур автоматического управления (рис.4). Из функциональной структуры этой системы видно, что на основании поступающей информации и ее обработки ПТК формирует в качестве управляющих воз­действий задания на контуры автоматического регулирования и не­посредственно выставляет их на регуляторах. Роль оперативного персонала в данном случае сводится к контролю функционирования ПТК. Оператор вмешивается в ход процесса управления лишь в непредвиденных аварийных ситуациях. Эти сис­темы очень эффективны, так как в стандартных режимах они работа­ют в течение длительного времени автоматически и позволяют вести технологические процессы в режимах, близких к оптимальным.

Рис.4.Структура АСУТП, функционирующей в супервизорном режиме управления.

А-АСУТП с ПТК, выполняющим фун­кции непосредственного цифрового управления (системы с непос­редственным цифровым управлением), — это система, в которой программно-технический комплекс выполняет функции регуляторов по формированию регулирующих воздействий (рис. 5). По этой схеме регули­рующие воздействия передаются непосредственно через исполни­тельные механизмы на ТОУ, регуляторы используют лишь в каче­стве резерва. ПТК позволяет программно ре­ализовать любой закон регулирования и создает возможности для разработки гибких систем, так как простой сменой программы лег­ко изменить закон регулирования.

Рис.5. Структура АСУТП, функционирующей в режиме непосредственного цифрового управления.

При разработке АСУТП можно создать комбинированные типы, в которых реализуются одновременно функции «советчика» и супервизорного управления и т. п. Различные функции могут быть реализованы для различных контуров управления в зависимости от степени их изученности, влияния на ход управляемого технологи­ческого процесса.

Вместе с тем в мясной и молочной промышленности целесооб­разно классифицировать системы управления по математическому признаку объектов управления, числу контролируемых и управляе­мых параметров, уровню автоматизации систем управления, прин­ципу управления объектами, степени интеграции.

По математическому признаку системы управления могут быть разделены на программно-логические, системы оптимального уп­равления (оптимизационные) и оперативно-диспетчерские.

В иерархических системах управления технологическими про­цессами наиболее часто встречаются различные сочетания перечис­ленных математических признаков объектов управления.

Системы управления, функционирование объектов которых осуществляется по программно-логическим и оперативно-диспет­черским алгоритмам, включают двухуровневые системы. На ниж­нем уровне этих систем управление отдельными машинами, агрега­тами или технологическими линиями осуществляется по про­граммно-логическому алгоритму с условным или безусловным пе­реходом, а на верхнем уровне решаются задачи по алгоритмам оперативно-диспетчерского характера.

Например, в цехе убоя ско­та и разделки туш управление транспортными системами линии убоя, отдельными машинами и механизмами при соответствующем уровне их механизации может осуществляться по алгоритмам про­граммно-логического управления. Управление процессом подго­товки скота для убоя, распределение трудовых ресурсов по отдель­ным линиям и операциям, корректировка графиков работы отдель­ных линий, распределение ремонтного персонала в случае поломки или аварии осуществляются на верхнем уровне с помощью алгорит­мов оперативно-диспетчерского управления. Другим примером си­стем управления этого класса являются системы управления жестянобаночного производства консервного завода.

Системы управления, которые функционируют одновременно по программно-логическим, оптимизационным и оперативно-дис­петчерским алгоритмам, отличаются от других систем тем, что на верхнем уровне решаются задачи оперативно-диспетчерского уп­равления, а на нижнем — оптимизационного и программно-логи­ческого.

Одноуровневые системы управления не имеют аппаратурной, или жесткой, информационной связи с управляющей системой среднего уровня. В комплекс технических средств одноуровневых систем входят в основном микропроцессоры, аналоговые или цифровые регуляторы. Такие системы управляют отделением приемки мясных туш на холодильнике, стерилизатором непрерывного дей­ствия, отделением посола и созревания колбасного фарша, складом готовой продукции.

Двухуровневые системы управления координируют работу ряда объектов нижнего уровня, охватывающих всю технологическую линию, цех или производство. Характерной особенностью их яв­ляется то, что, объединяя все системы нижнего уровня в единую, они не имеют жесткой информационной связи с АСУТП. Приме­ром двухуровневой системы управления является АСУТП цеха роз­лива молочных продуктов, охватывающая процессы розлива, хра­нения и реализации готовой продукции, но не имеющая непосред­ственной связи с АСУТП завода.

Наибольший эффект от функционирования систем управления может быть получен в том случае, когда разработку технологическо­го оборудования и АСУ ведут взаимосвязано, как для единого ком­плекса.

На рис. 6 приведена общая функциональная схема современного производства.

Рисунок 6- Общая функциональная схема современного производства

Нижний уровень этой схемы составляют измерительные приборы и исполнительные механизмы. Приборы могут быть аналоговыми или цифровыми (интеллектуальными). Аналоговые представляют измеренную величину в форме определенного значения напряжения или силы тока. Цифровые приборы имеют встроенные логические схемы, они представляют измеренную величину в виде сигнала, соответствующего спецификации протокола передачи данных, определенного для этих устройств. Для обмена информацией с приборами первого вида необходимо использовать аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи. С приборами второго типа можно обмениваться информацией непосредственно по сети передачи данных.

Следующий уровень — контроллеры. Они выполняют функции автоматического управления технологическим процессом. Целью управления является выдача сигналов на исполнительные механизмы в результате обработки данных о состоянии технологических параметров, полученных посредством измерительных приборов, по определенным алгоритмам.

Серверы технологических данных обеспечивают обмен информацией между технологическими устройствами и сетью персональных компьютеров. Они поддерживают протокол работы с технологическими устройствами и протокол работы с сетью персональных компьютеров.

Данные о текущих параметрах технологического процесса мо­гут быть использованы для контроля ее состояния и управления им с автоматизированных рабочих мест операторов; для архиви­рования истории изменения технологических параметров; для формирования суммарных отчетных форм в целях предоставле­ния информации руководящему персоналу.

АРМ – автоматизированное рабочее место – это комплекс объединенных между собой технических модулей, обеспеченный программными средствами и способный реализовать законченную информационную технологию – т.е. комплекс технического и программного обеспечения. Частью АРМа технолога-оператора является SCADA-система. SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition) – это набор инструментальных средств и исполнительных модулей, позволяющих вести мониторинг (непрерывное наблюдение, контроль), осуществлять анализ и управление параметрами технологического процесса.

В данной схеме SCADA-система представлена серверами тех­нологических данных и автоматизированными рабочими местами (АРМ) операторов.

Отметим функции SCADA-систем:

- Сбор, первичная обработка и накопление информации о параметрах технологического процесса и состоянии оборудования промышленных контроллеров и других цифровых устройств, непосредственно связанных с технологической аппаратурой.

- Отображение информации о текущих параметрах технологического процесса на экране ПЭВМ в виде графических мнемосхем.

- Отображение графиков текущих значений технологических параметров в реальном времени за заданный интервал.

- Обнаружение критических (аварийных) ситуаций.

- Вывод на экран ПЭВМ технологических и аварийных сообщений.

- Архивирование истории изменения параметров технологического процесса.

- Оперативное управление технологическим процессом.

- Предоставление данных о параметрах технологического процесса для их использования в системах управления предприятием.

На верхнем уровне управления производством в целом основой решения задач управления являются отдельные информационные сети, связывающие АРМы управляющего персонала на разных участках с планирующими подразделениями. Эти сети взаимодействуют с корпоративной сетью всего предприятия.

На рис. 7 приведена структурная схема АСУТП молочного предприятия.

Первый уровень состоит из автоматизированных систем, обеспе­чивающих получение информации о ходе технологического процесса непосредственно на агрегате, установке или линии, управление процес­сом и передачу информации на следующий иерархический уровень. Как правило, каждый из видов технологического оборудования оснащается локальной системой управления.

При этом обработка информации, ее представление оператору, выработка команд управле­ния осуществляется техническими средствами локальных устройств. Более прогрессивным является оснащение технологического оборудо­вания комплексом преобразователей технологических параметров, исполнительных механизмов локальными микропроцессорными устройствами для обработки информации. В этом случае информация от первого уровня передается на второй иерархический уровень для представления оператору и выработки команды управления процессами.

Второй уровень образован системами, функцией которых является автоматизированное управление технологическими участками на основе информации, полученной от систем первого уровня. На этом уровне осуществляется координация управления работой агрегатов, установок и линий соответствующего технологического участка и взаимосвязь со смежными участками.

Третий уровень представляет собой централизованную управляю­щую систему, решающую задачи оперативной диспетчеризации и коор­динации управления технологическими участками в соответствии с задачами АСУ предприятия и вспомогательного производства.

Рисунок 7

1 - преобразователи технологических параметров, установленные на технологи­ческом оборудовании (датчики); 2 - клапаны, электродвигатели технологического оборудо­вания; 3 - преобразователи, сигнализаторы параметров, блоки питания, устанав­ливаемые на щитах; 4 - электропневмопреобразователи клапанов, пусковая аппа­ратура электродвигателей; 5 - вторичные приборы; 6 - регуляторы; 7 - локальные микропроцессорные контроллеры; 8 – сетевой специализированный микропроцессорный контроллер, например для нормализации молока; 9-ПТК: 9.1 - печатающее уст­ройство; 9.2 - микро-ЭВМ и УСО; 9.3 - видеотерминал; 10 - цветной графический монитор; 11 - сетевой микропроцессорный контроллер; 12 - персональная ЭВМ; 13 - персональная ЭВМ третьего уровня: 13.1 - внешнее запоминающее устройство (винчестер); 13.2 - ЭВМ и видеотерминал; 13.3 - печатающее устройство.

На каждом из рассматриваемых уровней управления должна обеспечи­ваться реализация следующих функций АСУТП.

На первом уровне:

• измерение технологических параметров, обработка и передача сигналов на второй уровень;
• регулирование заданных значений технологических параметров;
• формирование управляющих воздействий на исполнительные механизмы (клапаны, насосы, мешалки);
• автоматическое управление по заданным алгоритмам отдельными технологическими установками и линиями от локальных устройств;
• сбор и передача на второй уровень сигналов о состоянии исполни­тельных механизмов, срабатывании защиты блокировок.

На втором уровне:

• отображение оперативной информации о технологических парамет­рах и состоянии технологического оборудования, а также вводимых оператором команд и данных;
• формирование и передача управляющих воздействий непосред­ственно на исполнительные механизмы оборудования (при необхо­димости);
• автоматическое управление по заданной программе и командам оператора работой агрегатов, установок и линий, входящих в техноло­гический участок;
• координирование режимов работы участка со смежными;
• регистрация информации о работе технологического участка на печатающем устройстве;
• сбор, обработка и передача информации о работе участка на сле­дующий уровень.

На третьем уровне:

• диспетчеризация режимов работы технологических участков и координация их взаимодействий с вспомогательным производством;
• введение баз данных и регистрация текущей и интегрированной информации о состоянии технологических участков в виде документа­ции, обеспечивающей анализ и учет работы;
• прием и обработка информации из автоматизированной системы управления (АСУ) предприятием и вспомогательным производством и представление подготовленной информации оператору, а также сбор, обработка и передача требуемой информации о работе технологических участков в АСУ предприятия и вспомогательного производства.

Соответственно и специфичны средства автоматизации, исполь­зуемые в системах управления каждого из уровней.

Основу первого уровня составляют измерительные преобразовате­ли технологических параметров в унифицированные сигналы, сигнали­заторы технологических параметров, вторичные приборы и регуляторы, исполнительные механизмы, электропусковая аппаратура, преобразо­ватели сигналов, локальные микропроцессорные контроллеры.

Системы управления второго уровня должны базироваться, как правило, на применении управляющих вычислительных комплексов, в состав которых входят базовая ЭВМ, устройств связи с объектом, ви­деотерминалы и печатающее устройство, или сетевых микропроцессор­ных контроллеров и персональных ЭВМ.

Вся информация, необходимая для принятия решений по управлению технологическим процессом, отображается на экране цветных монито­ров и видеотерминальных устройств. Ввод команд, инструкций и данных осуществляется оператором с их клавиатуры. Информация о техноло­гических параметрах и состоянии оборудования, а также команды управления передаются через устройства связи с объектом УСО или от локальных МПК через сетевой МПК в ЭВМ.

При использовании распределенных систем микропроцессорных контроллеров ко второму уровню обычно относят сетевые контроллеры и персональные ЭВМ, используемые как автоматизированное рабочее место оператора. Локальные микропроцессорные контроллеры для логико-программного управления и регулирования технологическими процессами относят к аппаратуре первого уровня.

Для заводов малой и средней мощности на втором уровне возможно использование вторичных измерительных приборов и мнемонических схем для отображения информации пусковой аппаратуры дистанцион­ного управления и микропроцессорных контроллеров для обработки информации.

В системах управления третьего уровня применяют ПТК или персо­нальные ЭВМ, специфицированные в виде операторских станций и обес­печивающие поддержку и манипулирование достаточно мощными базами данных. В АСУТП предприятий молочной и мясной промышленности важное место занимает обмен информацией между технологическими участками по горизон­тали, а также по вертикали между уровнями в пределах одного участка. Наиболее эффективно протоколы и интерфейсы компонентов АСУТП реализуются при помощи локальной сети, а также стандартизированных интерфейсов связи между МПК, УВК и персональными ЭВМ.

В молочной и мясной промышленности целесообразно использовать двух­уровневые системы управления с декомпозицией основного производ­ства молочного предприятия на технологические участки. Эти системы могут применяться как на заводах средней мощности, так и на крупных предприятиях. Однако на заводах с большим объемом производства и ассортиментом готовой продукции в перспективе следует использовать трехуровневые системы управления.

На небольших предприятиях целесообразно применять одноуровневые системы управления с ло­кальными устройствами автоматизации, комплектуемыми вместе с оборудованием.

Примеры.

Программа infinity hmi, предназначена для создания мнемосхем, пультов операторов, управления технологическим процессом на расстоянии (возможно управление даже по сотовому телефону).

Конфигуратор показывает дерево сигналов - входные сигналы с контроллера: в – дискретные сигналы, f – аналоговые (в единицах измерения) (Vhod) и выходные на контроллер (в нашем случае они отсутствуют, так как нет контроллера).

Сигналы можно задать жестко, например, в нашем случае, уровень шоколада в темперирующей машине не может превышать 45 см.

Мнемосхемы положены в основу управления оборудованием с сенсорной панели или tauchsckren.)

Примеры экранов АРМ: