Производственный) процесс (ПП) -
Технологический (ТП) - обработка или переработка (изменение состояния, свойств, формы) сырья, материалов и полуфабрикатов в процессе производства продукции.
Современная промавтоматика (СПА)– совокупность систем программно-электронного управления (СПУ), включающих информационно-технологические (ИТ-) системы, измерительно- преобразовательные, контролирующие, и другие средства управления производственными , технологическими процессами и операциями (оборудованием) и обеспечивающая:
1) повышение качества продукции,
2) повышение производительности труда,
3) повышение безопасности труда и оборудования,
4) расширение возможностей модификации управления для повышения динамичности смены продукции,
5) повышение экономичности производства,
6) повышение энергоэффективности производства.
1.1. Виды систем ПА:
а)по виду основной задачи:
· управляющая - управление производственным оборудованием для получения требуемых характеристик ТП или отдельных его операций (ТОп);
· контролирующая - текущий контроль (мониторинг) ТП и ТОп путем постоянного или итогового измерения характеристик процесса и контроля их соответствия заданным диапазонам (допускам) значений;
· обеспечивающая безопасность производства – противоаварийная автоматическая защита (ПАЗ) – обеспечивающая текущий контроль состояния ТП, ТОп и оборудования с целью предотвращения аварийных ситуаций путем соответствующего программно-автоматического управления, включающего сигнализацию и аварийное управление оборудованием , при выходе соответствующих характеристик ТП за допустимые пределы (например, при повышении давления выше допустимого: включает аварийные клапаны сброса этого давления, подачу аварийной сигнализации и останов оборудования, при необходимости).
Все указанные виды систем автоматики могут сочетаться друг с другом.
б) по использованию обратных связей при управлении оборудованием, процессом:
· регулирующие– управляющие с обратной связью (обычно в виде датчиков и преобразователей сигналов), характеризующей текущее состояние ТП и оборудования. Наиболее распространены и реализуют основные преимущества автоматики;
· прямого (программного) управления - без обратной связи.
Могут сочетаться друг с другом.
в)по степени (глубине) автоматизации:
· автоматическая – функционирует по заданной программе под контролем оператора, но без его непосредственного участия в процессе управления, за исключением нештатных (не предусмотренных программой) или аварийных ситуаций,
· автоматизированная:
o при выполнении алгоритмически простых операций функционирует по заданной программе под контролем оператора,
o при выполнении более сложных или неоднозначных операций (например, выбор режимов работы по плохо формализуемым условиям), функционирует под ручным управлением оператора через соответствующий пульт управления (человеко-машинный интерфейс (ЧМИ)).
Автоматизированная система управления (АСУ)- комплекс технических, программных, информационных, организационных и других средств, обеспечивающих рациональное автоматизированное управление сложными техническими, производственными, экономическими и другими объектами в соответствии с заданными целями.
По объему выполняемых функций в соответствии с ГСП, системы ПА делятся на 3 категории:
· локальные -с достаточно простым набором однородных функций автоматического контроля, регулирования, управления и регистрации с числом каналов от 1 до 8,
· централизованные- многоуровневые системы с большим набором разнородных функций, включая информационное обеспечение и внутри- и междууровневую коммуникацию данных, с числом каналов от 9 до нескольких десятков или сотен,
· АСУ ТП – включают многоканальное регулирование ТП.
Классификация ПА по назначению в соответствии с ГСП показана в Приложении 1.2.
Широко используемые классификация АСУ:
| а)по размерам: 1) АСУ цеха, 2) АСУ участка, 3) АСУ процесса. | б)по типу производства: 1) АСУ дискретно-непрерывным производством, 2) АСУ дискретным производством, 3) АСУ непрерывным производством. |
Любая техническая система определяется макро-характеристиками:
1) структурно - функциональными;
2) техническими;
3) программными (для СПУ),
4) эксплуатационными (исполнением).
Структурно - функциональные характеристики включают:
1) описание предназначение системы и условий ее использования,
2) архитектура (струтурно - функциональная схема) системы:
o состав функциональных элементов (ФЭ) и их основные функциональные характеристики,
o топология связей (взаимодействий) между ФЭ
Связь между ФЭ - направление и способы передачи другому ФЭ результатов функционирования данного (например, электросигналы датчиков, информационный обмен данными и т.д.).
Канал – совокупность ФЭ и связей между ними с оборудованием или другими системами.
Основные виды каналов:
1) измерительный – путь прохождения сигнала от датчика до СПИУ с измерительной обработкой результата;
2) управляющий - путь прохождения сигнала от СПУ до ИсУ;
3) регулирующий - совокупность программно связанных измерительного и управляющего каналов с выполнением СПУ соответствующей программы регулирования;.
4) связи (информационный) – возможность обмена данными с другими информационными средствами СА.
Описание архитектуры может быть графическим и текстовым.
Дополняется уточняющими характеристиками:
1) открытость – степень возможности использования в АСУ средств (аппаратных, технических, программных и др.) различных производителей;
2) распределенность – степень территориальной распределенности системы (разд.2).
К основным техническим характеристикам (ТХ) системы относят:
1) ресурсы (объем возможностей) системы;
2) безопасность использования;
3) точность (погрешность) – обеспечиваемая точность определения и исполнения ТХ ТП, ТОп;
4) своевременность – точность по времени исполнения характеристик ТП, ТОп;
5) надежность;
6) помехоустойчивость.
К основным характеристикам исполнения относят:
1) условия эксплуатации (производственное или специальное (с офисными условиями) помещения, под открытым небом и т.д.), а для систем вне помещений – климатические условия эксплуатации.
2) степень и способы защиты технических средств СА от воздействия внешней среды;
3) особенности монтажа технических средств и линий связи;
4) ремонтопригодность.
Технические характеристики существенно влияют на архитектуру (например, достаточный уровень надежности, обеспечиваемый резервированием элементов, влияет на их количество в системе, а безопасность, точность и т.д. – на соответствующие характеристики элементов системы). Все указанные основные характеристики систем ПА и составляют часть содержания данного курса инженерного образования.
Основной вид энергии используемой современным оборудованием – электрическая и основой движущей силой рабочих органов являются различные электроприводы. Однако при необходимости получения больших механических усилий в оборудовании используется и более эффективная для этих целей пневматическая энергия (сжатого воздуха), а для получения очень больших усилий – гидравлическая энергия (давление жидкости). Управление клапанами в этих случаях, обычно, производится относительно маломощными электрическими приводами по силовым сигналам ИсУ или средств вывода, в т.ч. и через различные дополнительные электросогласующие устройства.
1.2. Обобщенная архитектура систем ПА
Обобщенная архитектура систем ПА в общем случае:
1) многоуровневая– может быть представлена в виде набора достаточно однородных слоев (уровней) по функциям и масштабам управления,
2) иерархическая– масштаб и значимость функций управления возрастает от уровня к уровню
Обобщенная архитектура систем ПА показана на рис.1.1,1.2.
Рис.1.1.Обобщенная архитектура систем ПА
Первый (операторский) уровень – обеспечивает управление оборудованием, выполняющим технологические операции. При функционировании в автоматизированном режиме включает персонал (специалистов – операторов). Обеспечивает обмен данными (командами) со 2-м уровнем управления. Структурируется по виду оборудования или однородности выполняемых операций.
Локальная АСУ (АСУ Л) – персонал и АСУ обеспечивающие работу технологического оборудования с помощью СПУ. Является основной структурной единицей 1-го уровня управления. Часто содержит выделяемый 0-й подуровень,
Нулевой (полевой, сенсорный) уровень - средства АСУ Л, устанавливаемые на самом оборудовании: датчики (сенсоры), исполнительные устойства (актуаторы), средства удаленного ввода-вывода измерительно – управляющих электрсигналов СПУ.
Второй (диспетчерский) уровень – обеспечивает управление технологическими процессами (ТП), т.е. определенными последовательностями технологических операций, выполняемых АСУ Л на 1-ом уровне управления. Включает персонал – специалиста – диспетчера. Обеспечивает обмен данными (командами) с соседними уровнями управления. Структурируется по видам управляемых ТП.
АСУ ТП - диспетчер и средство интеграции управления АСУ Л в виде высокоресурсный рабочей станции, включающей:
1) развитые средства человеко-машинного интерфейса (ЧМИ), коммуникации данных и ведения базы данных (БД),
2) специализированное программное обеспечение (ПО) (SCADA - )обеспечивающим получение, обработку и визуализацию данных, получаемых с нижнего и верхнего уровней управления,
Третий уровень (управление цехом, предприятием) - - средство интеграции систем АСУ ТП с системами экономического управления подразделениями или предприятием в целом. В зависимости от размеров компании общая система управления может включать еще более высокие уровни управления, обеспечивать интеграцию с высшим руководством, которое может быть расположено в различных странах.
АСУ предприятием (АСУ П) – бизнес – уровень управления, обеспечивает компьютерное управление экономикой предприятия, включая управление материальными, энергетическими, финансовыми и другими ресурсами и потоками этого предприятия. Обеспечивает обмен данными со всеми его АСУ ТП, возможно и с некоторыми критичными АСУ Л.
На уровне АСУ П автоматизировано решаются следующие основные задачи:
1) ERP (Enterprise Resource Planning) - планирование ресурсов предприятия;
2) MRP (Manufacturing Resource Planning) - планирование ресурсов технологических подразделений предприятия;
3) MES(Manufacturing Execution Systems) - управление производственными ресурсами;
4) HRM (Human Resource Management) - управление человеческими ресурсами;
5) ЕАМ (Enterprise Asset Management) - управление основными фондами, техническим обслуживанием и ремонтами.
В настоящее время среди АСУ П в России наиболее продвинутой считается система «1 С», но в целом такие системы пока создаются весьма редко и в данном курсе не рассматриваются.
На этом же уровне управления действуют различные специализированные АСУ:
1) АРМы главных специалистов: гл.инженера, гл.технолога, гл.экономиста и т.д,
2) различные обеспечивающие автоматизированные системы:
o проектирования (САПР),
o технологической подготовки производства (АСТПП),
o научных исследований (АСНИ),
o обучения (АОС).
Указанные системы также изучаются в отдельных курсах.
 |
Рис.1.2.Типовая функциональная схема современной ПА.
Далее будут рассматриваться только 2 нижних уровня управления, включая полевой.. АСУ Л.
1.3. Локальная автоматика (АСУ Л)
По предназначению АСУ Л:
1) специальные, - предназначенные только для определенного вида оборудования (например, робототехнические комплексы),
2) специализированные,- предназначенные только для определенной функции (например, управление температурой производственного, складского и т.д. помещений),
3) универсальные –предназначенные для неопределенного круга задач ПА.
Далее основное внимание будет уделено универсальным и специализированным системам, поскольку специальные системы принципиально не отличаются от указанных, но более подробно изучаются в курсах по соответствующему оборудованию.
По компановочному исполнению АСУ Л:
1) распределенные – состоят из конструктивно обособленных средств автоматизации,
2) встроенные – состоят из средств автоматизации, устанавливаемыми внутрь корпусов оборудования и отличаются от распределенных систем только конструктивно,
По возможности и степени интеграции в другие системы АСУ Л:
1) автономные – не связанные с другими системами ПА;
2) интегрированные - объединенные в более крупную СА: АСУ Л или АСУ ТП.
Основной функциональный состав АСУ Л:
1) Средства программного управления (СПУ)-обрабатываетполученные данные по программе функционирования,генерируют соответствующие полученным результатам обработки управляющие данные и обеспечивает обмен данными с другими информационными средствами. В общем случае состоит из 3-х частей:
o процессорная с оперативной памятью (ОП) - циклически обрабатывают записанные в ОП,
o электро- преобразовательная (входы – выходы) – преобразуют подаваемые на вход электросигналы в данные ОП (входы) или наобарот (выходы),
o коммуникационная - обеспечивает обмен данными через информационные сети.
2) датчики (сенсоры)-преобразуют свое состояние (например, включено – выключено) или воздействующую физическую величину (ФВ) (например, температуру) в электросигналы постоянного (I=) или переменного (I~) тока ;
3) измерительные преобразователи - преобразуют сигналы сенсоров в унифицированный вид, воспринимаемый средствами ввода. Как отдельный функциональный элемент могут отсутствовать:
o быть встроенными в датчики,
o для распространенных типов термодатчиков – быть встроенными в средства ввода
4) средства ввода-преобразуют электрические сигналы датчиков в цифровые (информационные) сигналы, т.е. данные и, обычно, через прямой доступ записывают их в ОП СПУ;
5) средства вывода-преобразуют управляющие данные из ОП в электросигналы управления исполнительными и другими устройствами;
6) исполнительные устройства (ИсУ)-преобразуют электрические управляющие сигналы средств вывода в технические (физические) воздействия на управляющие рабочие органы (РО) оборудования (например, магнитный пускатель для включения электродвигателя или тепловых электрических нагревательных элементов (ТЭНов));
7) средства визуализации и управления (ЧМИ))–визуализируют для оператора данные о состоянии АСУ и преобразуют его команды в информационно – управляющие сигналы для СПУ;
8) каналы информационной связи (сети) – обеспечивают обмен данными между различными СПУ, с другими средствами, располагающими коммуникационными возможностями внутри АСУ и АСУ ТП,
9) источники электропитания -обеспечивают соответствующее электропитание средств АСУ,
10) вспомогательные средства - обеспечивающие надежную работу АСУ, включая защиту от воздействия окружающей среды.
Все средства полевого уровня могут быть:
1) близкими (близко-расположенными, электросвязанными) - связанными с в-в проводниками с электросигналами,
2) удаленными - содержащими собственный микроконтроллер, обеспечивающий индивидуальные средства в-в и информационной связи с СПУ.
Система сбора данных или контроля в ПА –частный случай АСУ Л, не содержащий элементов вывода (управления) и ИсУ.
Оператор АСУ Л– специалист, непосредственно обеспечивающий:
1) управление оборудованием при выполнении всех неавтоматизированных операций (при их наличии);
2) техническую подготовку оборудования и его автоматики к работе;
3) предварительный и текущий ввод в управляющую программу автоматики необходимых параметров (при их наличии);
4) постоянный контроль состояния оборудования, его автоматики и выполняемых операций;
5) программное и техническое управление оборудованием в аварийных ситуациях;
6) профилактическое обслуживание средств СА.
Обобщенная функциональная схема АСУ Л (Рис.1.3):
|
направление передачи электрических сигналов
информационные связи через внутреннюю и внешнюю информационные сети
информационные связи через (внутреннюю) системную шину СПУ
Рис.1.3.Типичная схема локальной системы автоматики
Примечание:
* СПУ может содержать дополнительный «терминальный» интерфейс (порт) для ввода в его память прикладной программы функционирования.
**В компьютерных СПУ электрические интерфейсы обычно выделяются в отдельный блок.
Пример состава и схемы АСУ Л (рис.1.4):
Рис.1.4.Пример АСУ Л
В примере: СПУ – офисный ПК, датчики подключены к его порту через многоканальный измерительный преобразователь и удаленный (отдельный) модуль ввода. Управляющие электросигналы генерируются через удаленный (отдельный) модуль вывода, подключенный к другому порту ПК
Примечания:
1. В целом архитектура АСУ Л (рис.1.3,1.4) во многом напоминает строение человека:
· роль органов чувств, в частности зрения, обоняния и осязания, выполняют датчики,
· роль рук, ног реализуют ИсУ,
· обмен данными обеспечивают органы речи и слуха,
· роль мозга выполняет СПУ,
· программой функционирования является накопленный опыт жизнедеятельности (в т.ч. в постановке нечеткой логики).
Благодаря такой аналогии архитектура АСУ Л, обычно, понятна на интуитивном уровне. Однако при разработке конкретной системы возникает множество сложных практических вопросов, касающихся стандартизации, безопасности, коммерческой эффективности, технологичности, точности, надежности, совместимости, удобства технического сопровождения и т.п., часть из них будет рассмотрена далее.
1.4. Интегрирующая автоматика (АСУ ТП).
АСУ ТП - действует через информационный обмен по каналам (сетям) связи и обеспечивает:
1) информационную интеграцию нескольких АСУ Л,
2) возможность объединения нескольких АСУ ТП в единую, большую по размерам АСУ,
3) обмен данными с вышестоящими уровнями промавтоматики.
Состоит из
1) диспетчера,
2) средств информатизации.
Диспетчер – специалист, дистанционно (удаленно) обеспечивающий общее управление средствами автоматики, входящих в АСУ ТП (обычно - нескольких АСУ Л или единиц автоматизированого оборудования, производственного участка или цеха).
Средства АСУ ТП:
1) высокоресурсный компьютер или автоматизированное рабочее место (АРМ) диспетчера с развитыми средствами ЧМИ и возможностями коммуникации данных,
2)программной среды (ПС) (обеспечения (ПО))- в вде системы сбора данных и оперативного диспетчерского управления SCADA (Supervisory Control And Data Asquisition)
3) ОРС -серверов – встроенных стандартных ПО, обеспечивающих взаимодействие со средствами автоматизации различных производителей (могут отсутствовать),
4) отдельного компьютера (сервера) обеспечивающего ведение баз данных (БД), проведение сложных вычислений и т.д. (может отсутствовать)
Обобщенная схема АСУ ТП с шинной топологией связи (Рис.1.5):
 |
Рис.1.5. Обобщенная схема АСУ ТП
Пример состава и схемы АСУ ТП (рис.1.5).
Рис.1.3.Типовая распределенная 3-уровневая АСУ ТП
1.5. Обеспечение нормального функционирования АСУ
Все IT- средства и система в целом состоят из следующих компонент (видов обеспечений):
1) техническое (аппаратное) (АО);
2) алгоритмическое – обоснование используемых алгоритмов измерения, управления и регулирования;
3) программное:
· операционная система (ОС) АСУ ТП (например,Windows NT, XP и т.д.),
· ОС АСУ Л (например, MS DOS, ROM DOS и т.д.),
· SCADA для АСУ ТП;
· прикладные программы для АСУ Л;
· инструментальные средства программирования (например, Concept, Unity Pro [Sсhneider Electric]);
· прикладные программы для АСУ ТП (обычно выполняется с помощью инструментальной частьи SCADA),
· другое ПО;
4) информационное: базы технических и технологических данных, включая:
· параметры технологических операций, ТП и критических параметров оборудования,
· признаки аварийных состояний оборудования,
· состав допускаемых к работе с системой операторов и т.д.;
· базы регистрации и архивации протоколов операций, ТП и действий операторов;
5) коммуникационное:
· топология информационных сетей;
· используемые интерфейсы и протоколы связи;
· состав, функции и параметры используемого сетевого оборудования;
6) метрологическое:
· состав и метрологические характеристики используемых средств измерений (СИ), включая аналоговые датчики, каналы в-в аналоговых сигналов, ПО измерений;
· сроки и методики контроля погрешности, калибровки и поверки (при необходимости);
7) методическое:
· методическая документация по эксплуатации IT- средств АСУ и системы в целом, включая:
o отдельную эксплуатационную документацию в электронном виде и/или на бумажных носителях;
o включенную в прикладные ПО для средств ЧМИ в виде всплывающих подсказок дисплейных средств визуализации и управления;
· курсы обучения и переподготовки специалистов:
o на предприятии;
o у поставщиков соответствующих сложных средств АСУ;
8) организационно-правовое, включая узаконенные приказами руководства предприятия организационные положения об эксплуатации АСУ, включая:
· определение обязанностей сотрудников и их ответственность;
· условия и периодичность аттестации знаний по использованию АСУ;
· правовые основы и нормы использования и модернизации АСУ;
· правовой статус циркулирующей в АСУ информации и генерируемой технологической документации;
· права и ответственность должностных лиц при эксплуатации и модернизации АСУ.
При создании АСУ ТП следует обеспечить точное соответствие проекту приобретаемого технического обеспечения, системного, прикладного и инструментального ПО, а также документирование всех других видов обеспечений. При эксплуатации АСУ необходимо тщательное исполнение указанной обеспечивающей эксплуатационной документации.
Безопасная и эффективная эксплуатация АСУ ТП возможна только при полном комплекте и при постоянной поддержке всех указанных компонентов ее средств.
Основными характеристиками АСУ ПА в целом является:
1) архитектура и функциональные характеристики всей системы;
2) функциональные, технические и информационные характеристики основных структурных элементов ПА:
| o датчики, o средства в-в, o СПУ, включая АО и ПО, | o ИсУ, o средства визуализации и управления o SCADA – системы. |
3) характеристики и способы создания и эксплуатационной поддержки основных обеспечений (компонент) :
| o технического (аппаратного) o программного; o алгоритмического; o информационного; | o коммуникационного; o метрологического; o методического o организационно - правового |
4) характеристики и способы определений интегральных (суммарных) технических характеристик системы:
| o распределённость; o открытость; o точность, включая своевременность | o помехозащищенность; o безопасность; o надежность |
Далее содержанием курса для АСУ ПА является: указанные характеристики основных средств и систем.
1.6. Требования к архитектуре конкретной АСУ
Архитектура конкретной АСУ зависит от особенностей и масштаба решаемой задачи автоматизации, но должна удовлетворять следующим общим требованиям:
1) слабая связанность элементов архитектуры между собой (т.е. декомпозицию системы на части следует производить так, чтобы поток информации через связи был минимален и через них не замыкались бы контуры автоматического регулирования);
2) тестируемость (возможность установления факта правильного функционирования);
3) диагностируемостъ (возможность нахождения неисправной части системы);
4) ремонтопригодность (возможность восстановления работоспособности за минимальное время при экономически оправданной стоимости ремонта);
5) надежность (обеспечение стабильной работоспособности правильным выбором технических средств и резервированием части АСУ или системы в целом);
6) простота обслуживания и эксплуатации (минимальные требования к квалификации и дополнительному обучению эксплуатирующего персонала);
7) безопасность (соответствие требованиям промышленной безопасности и технике безопасности);
8) защищенность (от вандалов и неквалифицированных пользователей;
9) экономичность (экономическая эффективность в процессе функционирования);
10) модифицируемость (возможность перенастройки для других характеристик ТП);
11) функциональная расширяемость (возможность ввода в АСУ дополнительных возможностей, не предусмотренных в исходным замыслом (заданием));
12) наращиваемость(возможность увеличения размера АСУ при увеличении размера объекта автоматизации);
13) открытость (возможность использования средств автоматизации различных производителей);
14) возможность переконфигурирования системы (для работы с другими ТП или другим оборудованием);
15) максимальная длительность жизненного цикла системы без существенного морального старения(обычно достигаемая путем периодического обновления аппаратных и программных средств, а также выбором долгоживущих промышленных стандартов);
16) минимальное время на монтаж и пуско-наладку (развертывание) системы.
Контрольные вопросы
1.Что такое современная промавтоматика, АСУ?
2.Виды промышленной автоматики.
3.Виды автоматики по глубине автоматизации и использованию обратных связей.
3.Виды автоматики по объему выполняемых функций (по ГСП)
4.Классияфикация АСУ по назначению
5.Общие структурные хар-ки АСУ
6.Виды каналов АСУ
7.Основные технические характеристики АСУ
8.Основные характеристики исполнения АСУ
9. Виды энергии используемые современным оборудованием
10.Обобщенная архитектура АСУ
11.Уровни промавтоматизации – общее определение
12.Особенности 1-го уровня промавтоматизации
13.Особенности 2-го уровня промавтоматизации
14.Особенности 3-го уровня промавтоматизации
15. АСУ Л: виды по компановке
16. АСУ Л: виды по назначению
17.АСУ Л: основной состав*
18.АСУ Л: обобщенная функциональная схема*
19.АСУ ТП: общая характеристика
20.АСУ ТП: состав
21.АСУ ТП: обобщенная функциональная схема
22.Виды обеспечений АСУ
23.Обеспечения АСУ: техническое, алгоритмическое, программное, информационное
24.Обеспечения АСУ: коммуникационное, метрологическое, методическое, орг-правовое
25.Основные характеристики АСУ*
26.Требования к архитектуре конкретной АСУ.