Непосредственное цифровое управление (НЦУ).

Информационно-измерительные системы или работа системы в режиме сбора данныхпредназначены для сбора и выдачи информации о состоянии объекта управления.

Информационно-измерительные системы (подсистемы) являются обязательной частью любых АСУ ТП, обеспечивая управляющую часть объективной информацией о состоянии объекта управления.

В виде самостоятельных систем или режимов работы АСУТП применяются для изучения поведения объектов управления в различных условиях.Сбор данных не оказывает прямого воздействия на ТП, а обеспечивает накопление и обработку данных о поведении процесса и (или) объекта.

Информационно-управляющие системы в режиме советчика.

На основании информации о параметрах технологического процесса, поступающей от датчиков, установленных на объекте, рассчитанных ТЭП и алгоритмов выработки управляющих воздействий, УВМ производит расчет оптимальных условий ведения технологического процесса. Результаты расчета - советы по управлению представляются оператору-технологу либо в печатном виде, либо высвечиваются на информационном табло. Оператор управляет процессом, изменяя уставки регуляторов или выполняя другие действия в соответствии с рекомендациями, вырабатываемыми АСУ. УВМ при этом работает в ритме процесса в разомкнутом контуре. Роль следящего и управляющего звена выполняет оператор-технолог, который обычно "тонко чувствует" процесс и контролирует правильность выданных советов. УВМ поручается следить за возникновением аварийных ситуаций, причем, как правило, по значительно большему числу параметров, чем это мог бы сделать оператор. Однако участие человека в контуре управления имеет и свои недостатки, которые особенно проявляются при сложной системе управления. Если оператору приходится выполнять много настроек регуляторов в минуту, то к концу рабочей смены неизбежны ошибки,которые повлекут за собой ухудшение качества выпускаемой продукции.

АСУТП в режиме супервизорного управления. Задача режима супервизорного управления - поддержание процесса вблизи оптимальной рабочей точки путем оперативного воздействия на него. При этом значения управляющих воздействии выдаются не оператору, а преобразуются в форму, удобную для изменения настроек регуляторов. УВМ работает в замкнутом контуре управления, оператору же отводится роль наблюдателя.

АСУТП в режиме непосредственного цифрового управления (НЦУ). Отличие АСУТП в режиме НЦУ от описанных ранее заключается в том, что сигналы, используемые для приведения в действие управляющих органов на объекте, поступают непосредственно от АСУ, а регуляторы вообще исключаются из системы. На вычислительные средства АСУ возлагаются такие функции; как реализация различных законов регулирования, связей между отдельными контурами - многосвязного регулирования, управления по возмущению, адаптивного управления. Для формирования сигналов, воздействующих на управляющие органы, вычислительный комплекс АСУТП включает в себя устройства связи с объектом.

Одним из главных преимуществ использования АСУТП в режиме НЦУ является гибкость управления благодаря возможности изменения алгоритмов путем внесения изменений в хранимую программу.

Наиболее очевидный недостаток НЦУ проявляется при отказе АСУ.

 

16. Разновидности структур АСУТП

Функциональная структура(ФС) определяет класс целей, для достижения которых проектируется АСУТП. Обычно такая структура состоит из нескольких подсистем, отличающихся по своему функциональному назначению. В частности, можно выделить следующие подсистемы:

- подсистема сбора и первичной обработки информации, предназначенная для опроса аналоговых, дискретных датчиков с обработкой и анализом информации об объекте управления;

- подсистема управления и выдачи управляющих воздействий;

- подсистема формирования сводных показателей;

- подсистема регистрации и анализа производственной ситуации.

Современные компьютерные технологии позволяют объединить указанные функции благодаря SCADA-системам.

Алгоритмическая структура(АС) представляет собой совокупность алгоритмов и условий их работы. На этой структуре указываются связи, определяющие последовательность выполнения алгоритмов.

При проектировании сложных систем вначале составляют укрупненную алгоритмическую структуру. Затем разрабатывают более детализированную алгоритмическую структуру.

Техническая структура(ТС) представляет собой комплекс технических средств в виде отдельных модулей и блоков, предназначенных для реализации функций АСУТП. На этой структуре указываются связи между блоками и приводится, в случае необходимости, поясняющий текст. Информационная структура(ИС) связывает подсистемы АСУТП с транспортными средствами, вспомогательными механизмами и, в случае использования нестандартных блоков указывает уровни сигналов на входах и выходах этих блоков для согласования со стандартным оборудованием. ИС автоматически собирает данные о значениях параметров технологических процессов путем съема показаний с датчиков и прочих приборов. Эта информация сообщается диспетчеру и управляющей подсистеме. Оператор-технолог может получать информацию посредством запроса.

Организационная структура(ОС) – совокупность правил и инструкций, устанавливающих нормы работы персонала и комплекса технических средств по управлению технологическим оборудованием в нормальных, предаварийных и аварийных режимах. Синтез любой из перечисленных структур представляет собой сложную исследовательскую задачу.

 

17. Технические средства автоматизации и управления

 

 

Повышение технико-экономических показателей систем управления техническими процессами (ТП) и производством в целом таких, как качество управления, надежность, снижение затрат на проектирование, безопасность эксплуатации, возможность адаптации систем управления (СУ) к изменяющимся свойствам объектов (ТП)улучшение условий работы оператора в большой степени зависит от используемых технических средств.

В настоящее время технические средства автоматизации и управления (ТСА и У) компонуются в агрегатные комплексы технических средств (КТС), которые представляют собой сложные системы аппаратных, программных и конструктивных средств, ориентированных на решение как типовых, так и оригинальных задач по автоматизации технологических процессов.

Идеология развития програмно-аппаратных комплексов формируется исходя из потребностей промышленности, которые находят свое отражение в национальных и международных стандартах
ТСА и У в системах управления выполняют следующие функции:
1. сбор и преобразование информации о состоянии процесса;
2. передачу информации по каналам связи;
3. преобразование, хранение и обработка информации;
4. формирование команд управления в соответствии с выбранными целями (критериями функционирования систем);
5. использование и представление командной информации для воздействия на процесс с помощью исполнительных механизмов и связи с оператором

Поэтому все промышленные средства автоматизации технологических процессов по признаку отношения к системе объединяют в следующие функциональные группы:
1. средства на входе системы (датчики);
2. средства на выходе системы (выходные преобразователи, средства отображения информации и команд управления процессом, вплоть до речевых);
3. внутрисистемные ТСА (обеспечивающие взаимосвязь между устройствами с различными сигналами и различными машинными языками) например, имеют выходы релейные или с открытым коллектором;
4. средства передачи, хранения и обработки информации.

Такое многообразие групп, типов и конфигураций ТСА приводит к многоальтернативной проблеме выбора технического обеспечения АСУ ТП в каждом конкретном случае.

Обычно задача выбора технических средств для СУ ТП формируется следующим образом: из множества возможных вариантов построения комплекса ТС для конкретной автоматизированной системы управления технологическим процессом (АСУ ТП) нужно выбрать и обосновать такой комплекс технических средств, который обеспечивает решение заданного набора функциональных задач системы автоматизации с заданным качеством при минимуме капитальных и эксплуатационных затрат с учетом обеспечения возможности функционирования системы управления в условиях прогнозируемого изменения состава задач автоматизированого технологического комплекса (АТК). В условиях современного массового производства средств автоматизации в некоторых (большинстве) случаях процесс комплектации определяется не тольбко технико-экономической целесообразностью, а и возможностями поставок оборудования и привычками проектировщиков.

Комплекс работ по непосредственному формированию КТС включает в себя два тесно связанных между собой этапа -

- этап системотехнического синтеза, и том числе разработка и обоснование структуры, целей и функций АСУ ТП, ее функциональной схемы, информацоинного и программного обеспечеиня;

- этап аппаратурно-техническго синтеза, в том числе выбор технических средств систем локальной автоматики, контроллеров, програмно-технических комплексов, средств связи с технологическим объектом управления (ТОУ); разработка технических заданий на недостающие технические средства, планов размещения КТС.

 

В общем случае классификация ТСА по функциональному назначению может быть представлена в соответствии с рис .1.

 

 

Рис. 1. Классификация ТСА по функциональному назначению в АСУ

СУ – система управления; ОУ – объект управления; КС – каналы связи;

ЗУ – задающие устройства; УПИ – устройства переработки нформации; УсПУ – усилительно-преобразовательные устройства; УОИ – устройства отображения информации; ИМ – исполнительные механизмы; РО – рабочие органы; КУ – контрольные устройства; Д – датчики; ВП – вторичные преобразователи

 

Исторически тенденции развития ТСА проходят по пути:

1. Увеличение функциональных возможностей ТСА:

– в функции управлении (от простейшего пуска/останова и автоматического реверса к цикловому и числовому программному и адаптивному управлению);

– в функции сигнализации (от простейших лампочек до текстовых и графических дисплеев);

– в функции диагностики (от индикации обрыва цепи до программного тестирования всей системы автоматики);

– в функции связи с другими системами (от проводной связи до сетевых промышленных средств, интернета, GSM).

2. Усложнение элементной базы – переход от релейно-контактных схем к бесконтактным схемам на полупроводниковых отдельных элементах, а от них к интегральным микросхемам все большей степени интеграции

3. Переход от жёстких (аппаратных, схемных) структур к гибким (перенастраиваемым, перепрограммируемым) структурам.

4. Переход от ручных (интуитивных) методов проектирования ТСА к машинным, научно-обоснованным системам автоматизированного проектирования (САПР).

 

18. Функциональный состав программно-технических комплексов

 

В настоящее время на рынке промышленной автоматизации присутствует несколько сотен самых разнообразных ПТК как отечественных, так и зарубежных производителей. Все они отличаются своей структурой, информационной мощностью, эксплуатационными характеристиками (диапазон температур, влажности, возможность использования во взрыво- и пожароопасных производствах), стоимостью и др.

Несмотря на многообразие существующих ПТК, можно выделить несколько функциональных элементов, присущих большинству из них: промышленные сети;

• программируемые логические контроллеры или контроллеры на базе PC, интеллектуальные устройства связи с объектом;
• рабочие станции и серверы различного назначения;
• прикладное программное обеспечение.

Структура ПТК в первую очередь определяется средствами и характеристиками взаимосвязи отдельных компонентов комплекса (контроллеров, пультов оператора, удаленных блоков ввода-вывода), т.е. сетевыми возможностями. Гибкость и разнообразие структур ПТК зависят от:

• числа имеющихся сетевых уровней;

• возможных типов связи (топологий) на каждом уровне сети: шина, звезда, кольцо;

• параметров сети каждого уровня: типов кабеля, допустимых расстояний, максимального количества узлов (компонентов комплекса), подключаемых к каждой сети, скорости передачи информации, методе доступа компонентов к сети (случайный по времени доставки сообщений или гарантирующий время их доставки).

Указанные свойства ПТК характеризуют возможность распределения аппаратуры в производственных цехах; объем производства, который может быть охвачен системой автоматизации, реализованного на данном ПТК; возможность переноса блоков ввода-вывода непосредственно к датчикам и исполнительным механизмам.

Одна из самых простых и популярных структур ПТК представлена на рис. 2. Все функциональные возможности системы четко разделены на два уровня. Первый уровень составляют контроллеры, второй – пульт оператора, который может быть представлен рабочей станцией или промышленным компьютером.

Уровень контроллеров в такой системе выполняет:

• сбор сигналов от датчиков, установленных на объекте управления;
• предварительную обработку сигналов (фильтрацию и масштабирование);
• реализацию алгоритмов управления и формирование управляющих сигналов на исполнительные механизмы объекта управления;
• передачу и прием информации из промышленной сети.

Пульт оператора:

• формирует сетевые запросы к контроллерам нижнего уровня,
• получает от них оперативную информацию о ходе технологического процесса,
• отображает на экране монитора ход технологического процесса в удобном для оператора виде,
• осуществляет долговременное хранение динамической информации (ведение архива) о ходе процесса,
• производит коррекцию необходимых параметров алгоритмов управления и уставок регуляторов в контроллерах нижнего уровня.

 

 

Рис. 2. Структура ПТК

 

Увеличение информационной мощности объекта управления (количества входных/выходных переменных) , расширение круга задач, решаемых на верхнем уровне управления, повышение надежностных показателей приводят к появлению более сложных структур программно-технических комплексов (рис. 3).

Операционные системы (ОС) семейства Windows фирмы Microsoft практически полностью завоевали рынок офисных компьютеров и активно осваивают уровень промышленной автоматизации. Большинство серверов и рабочих станций функционируют под управлением ОС Windows NT/2000/XP. Некоторые технологии Microsoft уже сейчас стали промышленным стандартом.

Использование архитектуры «Клиент-сервер» позволяет повысить эффективность и скорость работы всей системы, повысить надежность и живучесть системы за счет резервирования серверов, рабочих станций, территориальным распределением решаемых задач.

Серверы, как правило, выполняются на базе промышленных компьютеров и являются резервируемыми. Наименование серверов в различных ПТК различается: сервер базы данных реального времени, сервер оперативной и архивной базы данных, сервер ввода-вывода и др. Основные функции:

• сбор, обработка оперативных данных от устройств связи с объектом и контроллеров;

• передача команд управления контроллерам с верхнего уровня управления;

•хранение и отображение информации о заданных переменных;

• предоставление требуемой информации клиентским рабочим станциям;

• архивация трендов, печатных документов и протоколов событий.

Рис. 3. Структура ПТК

 

 

Современные ПТК, как правило, включают станции инжиниринга, выполненные на базе персональных компьютеров в офисном исполнении. С их помощью осуществляется инженерное обслуживание контроллеров:

• программирование,
• наладка,
• настройка.

В некоторых ПТК станции инжиниринга позволяют производить также инженерное обслуживание рабочих станций.

Еще одна сторона современных ПТК связана с активным проникновением Internet-технологий на уровень промышленной автоматизации. Сегодня все ведущие производители инструментального программного обеспечения для систем управления технологическими процессами встраивают поддержку данных технологий в свои продукты.

Наиболее широким применением Internet-технологий в АСУ ТП является публикация на Web-серверах информации о ходе ТП и всевозможных сводных отчетов. Web-серверы имеют возможность взаимодействовать с сервером БД, который хранит необходимую информацию о процессе. Это позволяет клиенту через браузер (Internet-обозреватель) делать необходимые запросы к базе данных. Такой подход к тому же минимизирует затраты, так как не требует на стороне клиента установки какого бы то ни было дополнительного программного обеспечения, кроме обычных программ-браузеров (Internet Explorer, Netscape Navigator и др.).

 

19. Государственная система промышленных приборов и средств автоматизации

 

В конце 50-х годов в СССР была сформулирована проблема создания единой для всей страны Государственной Системы промышленных Приборов и средств автоматизации (ГСП) – представляющей рационально организованную совокупность приборов и устройств, удовлетворяющих принципам типизации, унификации, агрегатирования, и предназначенных для построения автоматизированных систем измерения, контроля, регулирования и управления технологическими процессами в различных отраслях промышленности. Государственная система промышленных приборов и средств автоматизации (ГСПиСА) была разработана на стандартных внутренних и внешних связях, рациональных структурах и конструктивных формах в модульно-блочном построении ее функциональных устройств и предусматривает их агрегатирование в комплексах измерительной, вычислительной, аналитической и других видов построения систем информации, контроля, регулирования и управления.
Общие принципы построения ГСП и ее состав были определены в результате исследований в различных отраслях промышленности.

Типизация – это обоснованное сведение многообразия избранных типов, конструкций машин, оборудования, приборов, к небольшому числу наилучших с какой-либо точки зрения образцов, обладающих существенными качественными признаками. В процессе типизации разрабатываются и устанавливаются типовые конструкции, содержащие общие для ряда изделий базовые элементы и параметры, в том числе перспективные. Процесс типизации эквивалентен группированию, классификации некоторого исходного, заданного множества элементов, в ограниченный ряд типов с учётом реально действующих ограничений.

Унификация – это приведение различных видов продукции и средств её производства к рациональному минимуму типоразмеров, марок, форм, свойств. Она вносит единообразие в основные параметры типовых решений ТСА и устраняет неоправданное многообразие средств одинакового назначения и разнотипность их частей. Одинаковые или разные по своему функциональному назначению устройства, их блоки и модули, но являющиеся производными от одной базовой конструкции, образуют унифицированный ряд.

Агрегатирование – это разработка и использование ограниченной номенклатуры типовых унифицированных модулей, блоков, устройств и унифицированных типовых конструкций (УТК) для построения множества сложных проблемно-ориентированных систем и комплексов. Агрегатирование позволяет создавать на одной основе различные модификации изделий, выпускать ТСА одинакового назначения, но с различными техническими характеристиками.

Принцип агрегатирования широко применяется во многих отраслях техники (например, агрегатные станки и модульные промышленные роботы в машиностроении, IBM-совместимые компьютеры в системах управления и автоматизации обработки информации и др.).

ГСП представляет собой сложную систему, состоящую из ряда подсистем, которые можно рассматривать и классифицировать с разных позиций. Необходимо отметить, что заложенные в ГСП принципы не потеряли своей актуальности и сегодня. Так рассмотривая функционально-иерархическую структуру технических средств (рис. 3) имеем пять иерархических уровней.