Автоматизированные системы управления технологическими процессами (АСУТП), их основные функции и структура

Московский государственный открытый университет

Кафедра ЭАПУ

Курс лекций

По автоматизации типовых производственных процессов

Автор – Соснин Олег Михайлович

Москва, 2010

Лекция 1

Автоматизированные системы управления технологическими процессами (АСУТП), их основные функции и структура

1.1. Задачи автоматизации производственных процессов

Автоматизация производственных процессов состоит в том, что функции контроля и управления производственным процессом, ранее выполнявшиеся человеком, передаются автоматическим управляющим устройствам и контрольно-измерительной аппаратуре. Управляющие устройства, получая информацию по каналам обратной связи, реализованным с помощью контрольно-измерительной аппаратуры, о ходе техпроцесса, формируют управляющие сигналы, обеспечивающие функционирование технологического объекта (ТО) в оптимальном рабочем режиме.

Основной задачей, решаемой с помощью автоматизации производственных процессов, является повышение эффективности производства путем замены человека-оператора устройствами автоматического управления. Задачи автоматизации производственных процессов решаются с помощью АСУТП.

1.2. Структура АСУТП

АСУТП–это совокупность аппаратных средств и их программного обеспечения, предназначенных для управления сложным ТО. АСУТП обеспечивает оптимальный уровень автоматизации сбора, накопления и переработки информации об автоматизируемом процессе и формирование таких управляющих воздействий на исполнительные устройства, что работа ТО происходит в оптимальном режиме. Управляющие устройства АСУТП строятся на базе средств микропроцессорной вычислительной техники и являются по существу управляющими вычислительными машинами (УВМ).

Построение АСУТП производится по иерархическому принципу. Иерархическое управление – это разновидность централизованного управления, при котором центральная УВМ (ЦУВМ) управляет исполнительными устройствами не непосредственно, а через локальные УВМ (ЛУВМ). Каждая из

локальных УВМ отвечает за определенный участок техпроцесса (см. рис. 1,1). На рис. 1.1 видно, что ЛУВМ управляют исполнительными устройствами через системы управления электроприводами СУЭП. Так формируется типичная для АСУТП трехуровневая иерархическая структура управления.

УВМ могут строиться на базе компьютеров или программируемых логических контроллеров в зависимости от сложности решаемых задач управления. В качестве исполнительных устройств могут быть использованы не только электроприводы, но и нагревательные, электрофизические, электрохимические и др. установки. Системы управления исполнительных устройств могут быть построены как на базе микропроцессорных комплектов, так и без них, могут быть как цифровыми, так и аналоговыми. На рис.1.1 показано прохождение лишь прямых управляющих сигналов, а описание каналов обратной связи от технологического объекта к АСУТП здесь опущено и будет дано ниже. Заметим только, что прохождение сигналов обратной связи строится также иерархическому принципу: от исполнительных устройств и агрегатов информация поступает сначала в ЛУВМ по результатам опросов датчиков, установленных на технологическом оборудовании, а ЦУВМ получает необходимую информацию о состоянии технологического объекта в порядке обмена информацией с ЛУВМ.

1.3. Основные функции АСУТП

При автоматизации производственных процессов основным назначением АСУТП является оптимизация технологических процессов в соответствии с заданным критерием эффективности. Строго сформулированную зависимость между параметрами технологического процесса (техпроцесса) и критерием его оптимальности называют целевой функцией. Обычно полагают, что оптимальный режим достигнут, если выбранному сочетанию параметров управляемого техпроцесса соответствует минимум (а иногда максимум) целевой функции. Если из-за технологических ограничений заданный экстремум целевой функции не может быть достигнут, то оптимальный режим имеет место при некоторых граничных значениях контролируемых параметров. Во всяком случае, оптимизация техпроцесса с помощью АСУТП сводится к поддержанию оптимального соотношения его параметров. Если это соотношение стабильно и может быть рассчитано или подобрано заранее, то достаточно, чтобы АСУТП стабилизировала значения контролируемых параметров на заданном оптимальном уровне. Обычно к тому же необходимо изменять значения заданных параметров по заранее составленной программе ведения техпроцесса. В наиболее сложных случаях оптимальный ход техпроцесса не может быть определен и задан заранее и тогда поиск оптимального режима работы производится автоматически, самой АСУТП, в течении всего времени техпроцесса. Методика поиска зависит от вида заданной целевой функции и ограничений, накладываемых на значения контролируемых параметров.

В зависимости от имеющихся возможностей достижения оптимального режима, в АСУТП применяются следующие приемы управления технологическими процессами:

· Стабилизация заданных значений параметров техпроцесса при различных возмущениях. Примером такой стабилизации может служить стабилизация линейной скорости шлифования при уменьшении диаметра шлифовального круга.

· Изменение параметров техпроцесса по заранее подготовленной на специальном программоносителе программе, включая управление технологическим циклом. Такие АСУТП относятся к классу систем программного управления (СПУ). Реализация программного управления, наряду со стабилизацией контролируемых параметров, присуща всем АСУТП, особенно в станках с ЧПУ, лифтовых подъемниках, роботах-манипуляторах и др.

· Автоматическая оптимизация техпроцесса во время выполнения заданной производственной программы и в соответствии с заданным критерием эффективности (целевой функцией). Типичными процессами, нуждающимися в автоматической оптимизации, являются раскрой материалов из заготовок со значительным разбросом габаритов и составление оптимальных смесей из исходных веществ со значительным разбросом по составу.

1.4. Структура и основные функции УВМ

Современная управляющая вычислительная машина (УВМ) – это управляющее устройство, построенное на базе микро-ЭВМ и их комплексов.

Управляющие устройства на дискретных элементах, такие как магнитные пускатели и аналоговые системы управления электроприводами, применяются в АСУТП на нижних уровнях управления, а на верхних уровнях применяются исключительно УВМ (см. рис.1.1).

Структура УВМ в составе АСУТП показана на рис.1.2. Конструктивно УВМ выполняется в виде пульта управления ПУ и процессорного (системного) блока ПБ. На рис. 1.2 показано, что УВМ управляет технологическим объектом ТО с параметрами Y посредством управляющих сигналов Х. Пульт управления ПУ является основой рабочего места оператора, осуществляющего контроль работы АСУТП. Через ПУ поступает исходная информация в виде управляющих программ (УП), считываемых с магнитных дисков и дискет внешнего запоминающего устройства (ВЗУ). С помощью клавиатуры ПУ оператор может составлять и корректировать управляющие программы и контролировать ход управляемого технологического процесса, а дисплей ПУ представляет оператору визуальную информацию о ходе процесса и о содержании УП. Наконец с помощью принтера производится распечатка отчетно-справочной информации о выполнении производственных заданий. Обмен информацией в УВМ осуществляется через стандартные устройства ввода-вывода УВВ, состоящие из параллельного и последовательного интерфейсов (портов), причем для связи внутри ПБ обычно используется параллельный интерфейс. Через последовательный интерфейс реализуется связь с отдаленными корреспондентами и, прежде всего, с ЦУВМ, если она есть.

Рис. 1.2. Структура УВМ в составе АСУТП

Информация, поступающая в ПБ с пульта управления или непосредственно от ЦУВМ через УВВ, запоминается в устройствах памяти (ЗУ), состоящих из постоянного (ПЗУ) и оперативного (ОЗУ) запоминающих устройств. В ПЗУ содержится операционная система УВМ, инструментальное программное обеспечение для создания УП, сами УП и общие сведения об управляемом технологическом объекте. В ОЗУ хранятся управляющие программы, находящиеся в работе, и текущая информация о ходе реализуемого технологического процесса, о состоянии технологического оборудования и самой УВМ. Основным устройством, осуществляющим переработку поступающей информации в УВМ и выдачу управляющих сигналов, является центральный процессор (ЦП), состоящий из арифметико-логического (АЛУ) и управляющего (УУ) устройств. АЛУ осуществляет арифметическую и логическую обработку информации с выработкой управляющих сигналов, а УУ определяет, какие арифметико-логические операции и в каком порядке должно реализовать АЛУ в соответствии с заданной программой. Специфическими устройствами, отличающими УВМ от обычных ЭВМ, являются устройства связи с ТО (УСО) и модули обработки технологической информации (МОТИ).

УСО – это модули прямой связи управления. Они преобразуют приходящие с процессора управляющие сигналы, чтобы согласовать их с входными цепями ТО, в то время как МОТИ преобразуют приходящие с ТО сигналы обратной связи (сигналы Y) о параметрах ТО. Если рассматриваемая на рис.1.2 УВМ является для данного ТО центральной, то она управляет входящими в состав ТО локальными УВМ. В таком случае и УСО, и МОТИ, показанные на рис.1.2, состоят из стандартных УВВ, объединяющих все УВМ данной АСУТП в информационную и управляющую локальную сеть. Если же рассматривать УВМ, показанную на рис.1.2, как локальную, то УСО должны обеспечивать согласование управляющих сигналов УВМ со входными цепями различных дискретных цифровых и непрерывных (аналоговых) управляющих устройств нижнего уровня управления, на котором обычно производится управление электроприводами (см.рис.1.1).

Что касается МОТИ, то в ЛУВМ они должны совершить обратное преобразование сигналов обратной связи, идущих от управляющих устройств нижнего уровня управления и от технологического оборудования, к виду, приемлемому для системы сигналов, циркулирующих в УВМ.

Устройства УСО и МОТИ выполняются в виде модульных конструкций, объединяющих в себе несколько каналов однотипных преобразователей, таких как преобразователи уровней, аналого-цифровые преобразователи и пр.

Лекция 2