Основные управляющие функции

1. Прогнозирование хода управляемого процесса и состояния объекта управления.

2. Выбор оптимальных (или удовлетворительных) управляющих решений.

3. Формирование управляющих команд в виде заданий на основные режимные параметры управляемого процесса в соответствии с принятыми управляющими решениями.

4. Регулирование технологических параметров.

5. Исполнение управляющих решений.

Из неограниченного множества систем далее будем рассматривать лишь один класс – системы управления процессами промышленного производства, но принцип построения других классов систем аналогичен.

АСУ промышленными объектами

Этапы автоматизации в промышленности:

- КИП;

- регулирующие устройства и ИМ;

- телемеханизация – централизованные системы – мнемосхемы, щиты КИП, пульты;

- автоматизированные системы управления (АСУ).

В АСУ функции контроля и управления выполняет человеко-машинная система, реализующая автоматизированные процессы сбора и обработки информации, выработки и реализации управляющих решений. Человек один из составляющих элементов системы. Его роль зависит от сложности ОУ и возможностей формализации правил управления ими.

Технико-экономические предпосылки создания АСУ:

- рост производительности промышленных агрегатов;

- ограничения возможностей человека;

- экономические потери;

- появление ЭВМ.

Структура АСУ на промышленном предприятии

Производственная структура практически любого промышленного предприятия с полным или неполным циклом обработки сырья и производства товарной продукции мажет быть представлена, в упрощенном варианте, как совокупность производственно-технологических комплексов, обеспечивающая определенную технологическую последовательность преобразований исходного сырья и энергоносителей в товарную продукцию.

При управлении таким предприятием приходится решать задачи долгосрочного и краткосрочного планирования производственного процесса, включая:

- формирование «портфеля» заказов на товарную продукцию;

- формирование рациональной, экономически обоснованной производственной программы с согласованием требований к технологическим режимам и качеству продукции по каждому их переделов (производственному комплексу);

- планирование и размещение заказов на поставки сырья и энергоносителей.

Здесь не касаемся вопросов учета и управления финансовой деятельностью, кадрами и прочих вопросов.

Все эти вопросы должны решаться совместно, исходя из общесистемных технико-экономических показателей предприятия.

Раньше, в условиях централизованной плановой системы хозяйствования вопросы материально-технического обеспечения производства и сбыта готовой продукции решались где-то «наверху». Предприятиям же оставалось «подстраивать» свои производственные программы под спущенные сверху плановые задания. В современных экономических условиях, после ликвидации плановой системы управления народным хозяйством, планирование материально-технического обеспечения является одной из важнейших задач планирования производственной деятельности предприятия.

Решение всех перечисленных вопросов на современном уровне возлагается на автоматизированную систему управления предприятием, условно называемую АСУП.

Управляющие решения этой системы в виде взаимосогласованных плановых заданий на объем производства и характеристики продукции, соответствующих критериев качества управления выдаются для исполнения в системы управления каждого производства (производственного комплекса). В условиях металлургического комбината это, в частности, аглоизвестковое производство, доменное производство, коксохимическое производство, сталеплавильное производство и т.д.

В автоматизированной системе управления производственным комплексом (обозначим ее условно АСУПК) так же решаются задачи долгосрочного и краткосрочного планирования производственного процесса, но уже в рамках соответствующего производства. Здесь определяется экономически обусловленное (в смысле заданных сверху критериев качества управления) распределение и согласование технологических режимов между цехами производства, включая нагрузку (объем производства) требования к качеству продукции, критерии качества управления и ограничения на сырьевые и энергетические ресурсы.

В каждом из цехов производственного комплекса исполнение заданий АСУПК осуществляется соответствующей автоматизированной системой управления технологическим процессом (АСУТП), основное назначение которой - формирование иреализацияуправляющих решений, обеспечивающих выполнение плановых заданий цеху на производительность и качество продукции. Здесь решаются задачи оптимизации и согласования режимов работы агрегатов, образующих технологический комплекс цеха, реализации оптимальных режимов агрегатов путем регулирования соответствующих технологических переменных, контроль, мониторинг и управление технологическими потоками.

Соответствующая изложенному выше структурная схема системы представлена на рис.4.

Рисунок 4

АСУТП - система, состоящая из ТОУ и системы автоматизации управления (САУ) - человеко-машинной системы для выработки и реализации на технологическом объекте управления (ТОУ) управляющих воздействий в соответствии с принятыми критериями качества управления. САУ, функционирует в режиме реального времени (on line), реализуя свои управляющие решения путем непосредственного воздействия на исполнительные органы – электрические (электропневматические, электрогидравлические) исполнительные механизмы, пусковую аппаратуру электроприводов технологического оборудования и т.д.

Часто возникает вопрос – как провести границу между просто комплексом локальных систем регулирования и электроавтоматики со средствами централизованного отображения информации и АСУТП. Ответ на этот вопрос содержится в нормативных документах [6], где указаны следующие основные отличительные признаки АСУТП:

- использование современных средств вычислительной техники;

- обработка технологической и технико-экономической информации;

- выбор оптимальных (или рациональных) управляющих воздействий в соответствии с заданными критериями качества управления.

На современном этапе развития науки об управлении, основополагающей концепцией построения АСУ становится концепция многоцелевых систем. В соответствии с этой концепцией цель функционирование любой АСУ заключается не только в производстве материальной продукции, но и информации о свойствах системы и отдельных ее элементов.

В соответствии с этой концепцией развиваются функциональные и информационные структуры, метрологическая база, математическое обеспечение так называемых, производственно-исследовательских АСУ.

Такие АСУ (на любом уровне управления производством) представляют собой интегрированные автоматизированные системы управления, показатели качества функционирования которых определяются не только свойствами производимой материальной продукции, но и качеством продуцируемой информации. С их помощью обеспечивается ведение технологического процесса, исследования, связанные с изучением объекта и совершенствования АСУ, обучение персонала.

Далее кратко охарактеризуем АСУТП чисто производственного назначения.

К вопросам методического, информационного, алгоритмического и технического обеспечения систем производственно-исследовательского назначения обратимся несколько позднее.

КРАТКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА АСУТП

При построении АСУТП в цехах со сложными многостадийным технологическими процессами различной динамикой по стадиям процесса, зачастую приходиться создавать локальные АСУТП отдельных технологических участков, технологических комплексов или агрегатов, возлагая задачи координации их работы на АСУТП цеха, как показано, например, на рисунке 5.

Рисунок 5.

Объектами управления в локальных АСУ ТП являются технологические процессы той или иной стадии процесса. Каждой из этих локальных АСУ ТП определяется своя цель и критерии исходя из целей и критериев системы в целом.

Интеграция локальных АСУ ТП в единое целое обеспечивается в системе более высокого уровня – АСУ ТП цеха, формирующей задания локальным АСУТП.

Примером этого может служить аглоизвестковое производство ЗСМК, где созданы:

- АСУТП участка приемки и складирования железорудных материалов;

- АСУТП подготовки агломерационной шихты на каждой из трех агломашин;

- АСУТП окомкования аглошихты на каждой из трех агломашин;

- АСУТП спекания аглошихты на каждой из трех агломашин.

В отличие от локальных АСУ ТП, АСУТП производства функционирует с ориентацией на блок общие критерии, как технические характеристики качества продукции и экономических показателей.

Классификация АСУ

1. По уровню, занимаемому в организационно-производственной иерархии:

- АСУТП нижнего уровня не содержащие в своем составе локальные АСУТП;

- АСУТП второго уровня, содержащие локальные АСУТП участков, узлов;

- АСУПК производства;

- АСУП предприятия.

2. По характеру управляемого процесса – АСУ непрерывных, дискретных и непрерывно- дискретных процессов (примеры: агломерационное, сталеплавильное, доменное производство). Имеются некоторые нюансы в организации функционирования таких систем. Принципиальных различий по функциям – нет.

3 По степени развитости управляющих и информационных функций.

- Информационные….

- Управляющие.

4. По информационной мощности

- малая – до 40 сигналов

- пониженная – 41-160 сигналов

- средняя – 161-650

- повышенная – 651-2500

- большие – свыше 2500 сигналов.

Функции АСУ ТП

1. Информационные:

- измерение и контроль величин определяющих протекание технологического процесса и состояния оборудования;

- расчетное оценивание комплексных показателей технологического процесса, оценивание ТЭП;

- прогнозирование хода процесса;

- анализ и объективная оценка состояния процесса и оборудования, распознавание предаварийных и аварийных ситуаций;

- идентификация моделей объекта управления;

- отображение и документирование (протоколы, журналы и т.д.);

- вычисления, связанные с формированием исследовательской информации, обучением.

2. Управляющие:

- одноконтурное регулирование;

- многосвязное регулирование;

- оптимальное управление в установившихся режимах и в динамике;

- согласование, координирование контуров регулирования и систем;

- адаптация алгоритмов управления;

- формирование исследовательских воздействий.

В каждом конкретном случае состав информационных и управляющих функций определяется спецификой целей и условий создания конкретной АСУТП.

По способам организации взаимодействия отдельных элементов АСУ между собой, по распределению функций между техническими средствами и производственным персоналом принято выделять следующие разновидности АСУ ТП

1. АСУ ТП с вычислительным комплексом, выполняющим информационные функции, структурная схема которой представлена на рисунке 6.

Рисунок 6

2. АСУТП с вычислительным комплексом, выполняющим управляющие функции в режиме «советчика оператора». Этому случаю соответствует та же схема Рис. 6.

В вариантах:

- «пассивный советчик» - когда оперативно не оценивается и не сопоставляется качество «советов» и фактических управляющих решений, принятых и реализованных оперативным персоналом;

- «активный советчик» - когда оперативно оценивается и сопоставляется качество «советов» и фактических управляющих решений, принятых и реализованных оперативным персоналом, организуется соревнование между ЭВМ и оперативным персоналом.;

3. АСУТП с вычислительным комплексом (ВК), работающим в режиме непосредственного управления технологическим процессом.

3.1.АСУТП с вычислительным комплексом, выполняющим функции центрального управляющего устройства, формирующего задающие воздействия локальным САР (супервизорное управление). Оператору остается функция контроля за системой. Вмешательство - только в критических ситуациях или при существенных изменениях условий функционирования системы, не предусмотренных функциями и математическим обеспечением системы.

3.2.АСУТП с вычислительным комплексом, работающим в режиме непосредственного цифрового управления(НЦУ), воздействуя непосредственно на исполнительные механизмы и пусковую аппаратуру электроприводов технологического оборудования.

Дифференциация п. 3 на 3.1. и 3.2. имела смысл на начальных стадиях развития АСУТП, когда еще не было развитых микропроцессорных устройств. Все функции автоматического сбора информации и управления выполнялись централизованно, достаточно громоздкими ВК. Развитие микропроцессорной техники, создание программируемых микропроцессорных контроллеров, средств связи (сетей) дало возможность создания распределенных функционально, технически и территориально АСУТП. Локализуются по-объектно и по-агрегатно функции сбора информации и управления исполнительными механизмами. Повысилась живучесть систем. Соответствующая схема приведена на рис. 7.

Рисунок 7

Значительная часть простейших информационных и управляющих функций реализуется МПК – измерение, регулирования, предварительная обработка сигналов. ПВМ выполняет наиболее интеллектуальные функции – анализа, прогнозирования, оптимизации управления, обучения, исследований и, конечно же, отображения информации.

Основные компоненты АСУТП

ТОУ- технологический объект управления - комплекс технологического оборудования и протекающих на нем технологических процессов.

Оперативный персонал – технологический и эксплуатационный, обеспечивающий надлежащее функционирование технологического оборудования, всех компонентов автоматизации. Оперативный технологический персонал осуществляет контроль и управление АСУТП (выбирая соответствующие режимы). Состав персонала и его взаимодействие с АСУТП определяется организационной структурой производства и организационным обеспечением АСУТП.

Организационное обеспечение – совокупность правил и предписаний, регламентирующих взаимодействие оперативного персонала с комплексом технических средств, инструкций по эксплуатации АСУ ТП и ее компонентов, стимулирование персонала по результатам анализа его деятельности в АСУ, в том числе функционирующей в режиме «Активного советчика».

Техническое обеспечение – полный набор технических средств автоматизации, вычислительной техники и связи, отображения информации, используемых в конкретной АСУ ТП, включая:

– автоматические датчики;

– средства сбора, преобразования и передачи информации;

– средства вычислительной техники (включая сетевое оборудование);

– средства отображения и документирования;

– исполнительные устройства.

Математическое обеспечение – совокупность математических методов, моделей и алгоритмов, используемых при разработке и функционировании АСУ ТП.

Это математическое обеспечение составляет основу для разработки алгоритмов обработки сигналов измерительной информации, решения всех прочих задач, обеспечивающих выполнение всех информационных и управляющих функций конкретной АСУ ТП с учетом взаимодействия всех ее элементов. Сюда входят алгоритмы

- общего функционирования системы, определяющие порядок взаимодействия компонентов системы, включая регламент работы каждой из задач, условия ее запуска и остановки;

- комплекс алгоритмов, обеспечивающих решение каждой их задач.

Каждый из алгоритмов представляет собой комплекс логических и вычислительных операций.

Требование к алгоритмам:

- никаких двусмысленностей - каждому из вариантов исходных условий однозначно должны соответствовать численный или логический результат;

- модульность алгоритмов, типизация алгоритмов.

Программное обеспечение – комплекс всех программных средств, участвующих в функционировании ВК, включая базовое и прикладное программное обеспечение.

Общее (базовое) ПО – совокупность программ, необходимых для функционирования собственно ВК, независимо от структуры АСУ, средства программирования специальных алгоритмов конкретных АСУ.

Специальное (прикладное) ПО – совокупность программ, реализующих специальные алгоритмы, обеспечивающие выполнение информационные и управляющие функции конкретной АСУ.

Информационное обеспечение – определяет состав, способы и конкретные формы информационного отображения состояния объекта в виде данных в ВК, документов, графиков, сигналов, правила кодировки, хранения.

1.4. Функциональная структура АСУТП

Укрупненная функциональная структура АСУТП изображена на Рис. 8.

Исходная информация об автоматически контролируемых переменных технологического процесса и состоянии оборудования в виде аналоговых и дискретных сигналов поступает от различного рода датчиков и измерительных систем (t, P,расход, т.д., концевые путевые выключатели, датчики положения и пр.)

Кроме того, часть информации может вводится вручную или из смежных АСУ по межмашинным связям (через вычислительную сеть).

Ввод аналоговых и дискретных сигналов осуществляется через специальные устройства аналогового и дискретного ввода.

Формируемые системой управляющие воздействия выдаются на исполнительные системы в виде аналоговых или дискретных сигналов через устройства аналогового и дискретного вывода. Конкретный вид сигнала определяется особенностями исполнительной системы – (тиристорный привод - аналоговый, исполнительный механизм с постоянной скоростью - дискретный и т.д.).

На функциональной схеме эти средства аналогового и дискретного ввода – вывода разделены условно, на самом деле, чаще всего они компонуются совместно в контроллерах. Т.е. каждый контроллер может содержать в себе все виды устройств ввода/вывода сигналов.

В качестве устройств ручного ввода используется клавиатура или манипулятор «мышь». В последнем случае используются специальные средства интерфейса ЭВМ с персоналом через монитор.

Обмен информацией между ЭВМ и периферийными системами аналогового и дискретного ввода/вывода, сложными системами, с персоналом, осуществляется через «Базу данных».

В базе данных хранятся текущие значения всех измеренных сигналов и данных, поступающих от внешних систем устройств, всех управляющих сигналов, а также данные, которые требуется передать на внешние устройства и системы. Кроме того, в базе данных хранятся все расчетные переменные и логические признаки, которые на внешние устройства (аналогового и дискретного вывода, в смежные системы) не передаются, но используются функциональными подсистемами АСУ для анализа, отображения информации, в качестве промежуточных переменных.

В современных средствах прикладного программирования (ППП) принята следующая классификация данных, хранимых в базе:

Аналоговые точки - для хранения данных о численных значениях величин (переменных), число конкретных состояний которых практически неограниченно.

Статусные точки - для хранения информации о дискретных переменных (признаках) число конкретных состояний которых ограниченно (от 2 до 4).

В свою очередь аналоговые и статусные точки делятся на сканируемые и несканируемые.

Сканируемые аналоговые и статусные точки используются при обмене информацией с внешними устройствами:

- данные о текущих значениях измеряемых и контролируемых переменных поступающие как с устройств ввода аналоговых сигналов или устройств ручного ввода данных, по сети из смежных систем) записываются в соответствующие сканируемые аналоговые точки БД; данные о текущих значениях дискретных сигналов (с устройств дискретного ввода или из смежных систем) записываются в соответствующие сканируемые статусные точки;

- данные о текущих значениях аналоговых и дискретных выходных переменных записываются в БД соответствующими функциональными подсистемами в виде соответствующих сканируемых аналоговых и статусных точек.

- для каждой переменной в БД отводится определенная область (точка) и ее описание.

Система сканирования с определенной периодичностью "подключает" БД к каждому внешнему устройству и обеспечивает:

- запись новых значений сканируемых входных аналоговых и статусных точек;

- передачу на внешнее устройство из БД текущих значений выходных сканируемых аналоговых и статусных точек.

Несканируемые (часто называют фиктивные) статусные и аналоговые точки создаются для "внутреннего пользования" АСУ ТП.

Различие сканируемых и несканируемых (фиктивных) точек обеспечивается соответствующими индикаторами при описании информации. По мере обновления информации в БД, предшествующие данные по каждой точке (если это необходимо) переписываются файлы «истории», а данные - в архив.

Данные по любой сканируемой и несканируемой точке из БД и файлов истории доступны любой из функциональных подсистем и могут быть использованы ею при решении предписанных задач. Причем окончательные и промежуточные результаты этих решений в виде сканируемых или несканируемых точек записываются в БД.

Функциональные подсистемы представляют собой комплекс программ, реализующих информационные и управляющие функции АСУТП.

В укрупненной функциональной структуре Рис. 1 можно выделить следующие функциональные подсистемы и задачи:

1. Обработка исходных значений отдельных переменных (сканируемых входных аналоговых точек):

- проверка достоверности сигналов (данных) – на соответствие диапазонам допустимых значений;

- фильтрация измерительных помех и оценивание текущих значений переменных;

- экстраполяция (прогноз) значений переменных.

2. Совместный анализ исходных данных:

- контроль на наличие совместных тенденций изменения по группам переменных;

- совместный анализ переменных и их характеристик и дискретных сигналов (статусных точек).

Здесь осуществляется оценивание технологической ситуации и проверяется соответствие текущих значений переменных и дискретных сигналов, характеристик переменных технологической ситуации.

3. Расчет технологических и технико-экономических показателей:

- суммарные и средние значения переменных на заданных интервалах времени;

- удельные расходы материалов и энергоносителей;

- специальные технологические показатели (теоретическая температура горения, рудная нагрузка и т.д.);

- косвенное оценивание технологических переменных и параметров состояния ТОУ;

- прогнозирование выходных переменных ТОУ.

В результате функционирования подсистем 1-3 формируются расчетные аналоговые и статусные точки в базе данных, которые рассматриваются как сканированные или фиктивные в соответствии с присвоенными при описании информационного обеспечения идентификаторами.

4. Контроль аналоговых переменных (точек) на соответствие технологическим ограничениям абсолютных значений и скорости изменения

- на соответствие рабочим (номинальным) диапазонам;

- на попадание в зоны, соответствующие аварийным ситуациям.

По результатам проверки формируются специальные логические сигналы (признаки), используемые другими подсистемами и в СОИ.

5. Комплексный анализ аналоговых и статусных точек, диагностика состояния оборудования и технологического процесса. Например: “разогрев” или “похолодание” доменной печи, разгар кладки и лещади доменной печи, забивание горловины бункера, при разогревании сыпучих материалов и т.д.

6. Оптимизация технологических режимов - автоматические и человеко-машинные процедуры поиска (выборок) по определенным критериям оптимальных значений выходных переменных ТОУ и соответствующих и управляющих воздействий при фиксированных условиях (внешних воздействиях) протекания процесса.

7. Реализация оптимальных режимов путем распределения заданий на управляемые технологические переменные с учетом возмущений (изменений внешних воздействий), ограничений на ресурсы управления и прочих технологических ограничений. Например:

- коррекция заданий на рудную нагрузку при похолодании или разогреве доменной печи;

- коррекция задания на расход кокса при изменениях содержании Fe в агломерате с целью поддержания рудной нагрузки на заданном оптимальном уровне.

8. Регулирование технологических переменных - одноконтурное и многосвязное.

9. Программно-логическое управление – переключение механизмов, взаимные блокировки и т.д. (конвейерные системы).

10. Формирование рекомендаций технологическому персоналу с соответствующей оценкой эффективности рекомендаций и действий персонала.

11. Формирование информации для исследований и построения моделей ТОУ:

- структурный анализ данных и отбор с желаемыми свойствами;

- формирование тестовых воздействий;

- построение моделей ТОУ;

12. Моделирование и оптимизация параметров процедур (алгоритмов) управления и регулирования:

- имитационное математическое моделирование;

- комбинированное натурно-математическое моделирование (НММ).

13. Управление отражением информациитехнологическому и системному персоналу:

- протоколы;

- учетные и отчетные документы;

- видеокадры;

- управление динамическими элементами видеокадра – табло, тексты, подсветка, перемещение;

- результаты диагностики программно-технических средств системы;

- цифровая и графическая информация о параметрах системы, динамике их изменения (при адаптации) и весь комплекс данных.