Программное обеспечение АСУ ТП

Техническое обеспечение АСУ ТП

Техническое обеспечение АСУ ТП составляет комплекс технических средств (KTC),

содержащий следующие элементы:

- средства получения информации о текущем состоянии ТОУ;

- УВК (управляемый вычислительный комплекс);

- технические средства для реализации функций локальных систем автоматизации:

- исполнительные устройства, непосредственно реализующие управляющие воздействия на ТОУ.

В комплекс ТС многих АСУ ТП входят механические средства автоматизации из состава электрической ветви ГСП.

Специфическим компонентом KTC является УВК. в состав которою входят собственно вычислительный комплекс (BK). устройства связи ВК с объектом (УСО) и с оперативным персоналом.

Типы технических структур АСУ ТП

Первым и до сих пор распространенным типом технических структур АСУ ТП является централизованная. В системах с централизованной структурой вся информация, необходимая для управления АТК поступает в единый центр - операторский пункт, где установлены прак­тически все технические средства АСУ ТП, за исключением источников информации и ис­полнительных устройств. Такая техническая структура наиболее проста н имеет ряд преиму­ществ.

Недостатками её являются:

- необходимость избыточною числа элементов АСУ ТП для обеспечения высокой на­дежности;

- большие затраты кабеля.

Такие системы целесообразны дня сравнительно небольших по мощности и компакт­ных АТК.

В связи с внедрением микро­процессорной техники всё большее распространение получает распреде­лённая техническая структура АСУ ТП, т.е. расчленённая на ряд автономных подсистем - локальных тех­нологических станций управления, территориально распределённых по технологическим участкам управле­ния. Каждая локальная подсистема представляет собой однотипно вы­полненную централизованную струк­туру, ядром которой является управ­ляющая микро-ЭВМ.

Локальные подсистемы через свои микро-ЭВМ объединены в единую систему сетью передачи данных.

К сети подключается необходимое для управления АТК число терминалов для опера­тивного персонала.

Программное обеспечение АСУ ТП

Программное обеспечение АСУ ТП связывает все элементы распределённой техниче­ской структуры в единое целое, обладающее рядом достоинств:

- возможностью получения высоких показателей надёжности за счёт расщепления АСУ ТП на семейство сравнительно небольших и менее сложных автономных подсистем и дополнительною резервирования каждой из этих подсистем через сеть;

- применение более надежных средств микроэлектронной вычислительной техники;

Рис. 2. Техническая структура KTC АСУ ТП для ра­боты в супервизорном режиме.

ИИ - источник информации: УСО - устройство связи с объ­ектом: ВК - вычислительный комплекс: УСОП - устройство связи с оперативным персоналом: ОП - оперативный персо­нал; TCA - технические средства автоматизации для реали­зации функций локальных систем: ИУ - исполнительные устройства.

- большой гибкостью при композиции и модернизации технического и программною

обеспечения и т.д.

Большинство функций АСУ ТП реализуются программно, поэтому важнейшим компонентом АСУ ТП является её программное обеспечение (ПО), т.е. совокупность программ, обеспечивающих реализацию функций АСУ ТП.

Программное обеспечение АСУ ТП делится:

- общее;

- специальное.

Общее ПО поставляемся в комплекте со средствами вычислительной техники.

Специальное ПО разрабатывается при создании конкретной АСУ ТП и включает программы, реализующие её информационные и управляющие функции.

Программное обеспечение создается на базе математическою обеспечения (МО). МО - совокупность математических методов, моделей и алгоритмов для решения задач и обработки информации с применением вычислительной техники.

Для реализации информационных и управляющих функций АСУ ТП создают специальное МО. в состав которого входят:

- алгоритм сбора, обработки и представления информации;

- алгоритмы управления с математическими моделями соответствующих объектов

управления:

- алгоритмы локальной автоматизации.

Рнс. 3. Техническая структура КТС АСУ ТП для ра­боты в режиме непосредственною цифровою управ­ления.

Все взаимодействия как внутри АСУ ТП, так и с внешней средой представляют собой различные формы информационного обмена, необходимы массивы данных и документов, которые обеспечивают при эксплуатации АСУ ТП выполнение всех её функций.

Правила обмена информацией и сама информация, циркулирующая в АСУ ТП, образуют информационное обеспечение АСУ ТП.

Организационное обеспечениеАСУ ТП представляет собой совокупность описаний функциональной, технической и организационной структур системы, инструкций и регламентов для оперативного персонала, обеспечивающую заданное функционирование АСУ ТП.

Оперативный персонал (ОП) АСУ ТП состоит из технологов-операторов, осуществляющих управление ТОУ, эксплуатационного персонала, обеспечивающего функционирование АСУ ТП (операторы ЭВМ. программисты, персонал по обслуживанию аппаратуры KTC).

Оперативный персонал АСУ ТП может работать в контуре управления или вне него.

При работе в контуре управления ОП реализует все функции управления или часть их, используют рекомендации но рациональному управлению ТОУ, выработанные KTC. Такой режим функционирования АСУ ТП называют информационно - советующим.

Если оперативный персонал работает вне контура управления, он задаст АСУ ТП режим работ и осуществляет контроль за его соблюдением. В этом случае, зависимости от состава KTC, АСУ ТП может функционировать в двух режимах:

- комбинированном (супервизорном);

- в режиме непосредственного цифрового управления, при котором УВК непосредственно воздействует на исполнительные устройства, изменяя управляющие воздействия на ТОУ.

Создание АСУ ТП

Создание АСУ ТП включает пять стадий:

1. техническое задание (ТЗ);

2. технический проект (ТП);

3. рабочий проект (РП);

4. внедрение АСУ ТП;

5. анализ её функционирования.

На стадии ТЗ основным этапом являются предпроектные научно-исследовательские работы (НИР), обычно выполняемые научно-исследовательской организацией совместно с предприятием-заказником.

Главная задача предпроектных НИР - изучение технологического процесса как объекта управления. При этом определяют цель и критерии качества функционирования ТОУ, технико-экономические показатели объекта-прототипа, их связи с технологическими показателя-ми; структуру ТОУ, т. е. входные воздействия (в том числе контролируемые и неконтролируемые возмущающие воздействия, и управляющие воздействия), выходные координаты и связи между ними: структуру математических моделей статики и динамики. значения параметров и их стабильность (степень стационарности ТОУ ): статистические характеристики возмущающих воздействий.

Наиболее трудоемкая задача на этапе предпроектных НИР - построение математических моделей ТОУ, которые в дальнейшем используют при синтезе АСУ ТП. При синтезе локальных ACP обычно используют линеаризованные модели динамики в виде линейных дифференциальных уравнений 1 - 2-го порядка с запаздыванием, которые получают обработкой экспериментальных или расчетных переходных функций по разным каналам воздействия. Для решения задач оптимального управления статическими режимами используют конечные соотношения, полученные из уравнений материального и энергетического баланса ТОУ, или уравнения регрессии. В задачах оптимального управления динамическими режимами используют нелинейные дифференциальные уравнения, полученные из уравнений материального и энергетического баланса, записанных в дифференциальной форме.

При выполнении предпроектных НИР применяют методы анализа систем автоматического управления, изучаемые в дисциплине «Теория автоматического управления», и методы построения математических моделей, которые излагаются в курсе «Моделирование на ЭВМ объектов и систем управления».

Результаты, полученные на этапе предпроектных НИР, используют на этапе эскизной разработки АСУ ТП, в ходе которого выполняются следующие работы:

- выбор критерия н математическая постановка задачи оптимальною управления ТОУ, ее декомпозиция (при необходимости) и выбор методов решения глобальной и локальных задач оптимального управления, на основе которых в дальнейшем строят алгоритм опгималыюго управления:

- разработка функциональной и алгоритмической структуры АСУ ТП;

- определение объема информации о состоянии ТОУ и ресурсов ВК (быстродействие, объем запоминающих устройств), необходимых для реализации всех функций АСУ ТП:

- предварительный выбор KTC, прежде всего УВК:

- предварительный расчет технико-экономической эффективности АСУ ТП.

Центральное место среди работ этой стадии занимает математическая постановка задачи оптимального управления ТОУ.

Остальные задачи данного этапа (кроме расчета технико-экономической эффективности) относятся к системотехническому синтезу АСУ ТП. при выполнении которого широко применяют метод аналогий. Накопленный опыт разработки АСУ ТП для ТОУ различной степени сложности позволяет перевести разработку ряда функций и алгоритмов из категории научных работ в категорию технических, выполняемых проектным путем. К их числу относятся многие информационные функции (первичная обработка исходной информации, расчет ТЭП, итерирование и усреднение и др.), а также типовые функции локальных систем автоматизации. реализуемые в АСУ ТП программным способом (сигнализация, противоаварийная блокировка. регулирование с использованием типовых законов при НЦУ и др.).

Завершающим этапом эскизной разработки АСУ ТП является предварительный расчет технико-экономической эффективности разрабатываемой системы. Выполняют его специалисты но экономике, однако исходные данные для них должны подготовить специалисты по автоматизации, поэтому рассмотрим некоторые узловые моменты.

Завершающей стадией первого этапа создания АСУ ТП является разработка технического задания на проектирование системы, которое должно включать полный перечень функций, технико-экономическое обоснование целесообразности разработки АСУ ТП, перечень и объем НИР и план-график создания системы.

При разработке нетиповых АСУ ТП на первый этап приходится примерно 25 % общей трудоемкости, в том числе на предпроектные НИР-15 %. При тиражировании АСУ ТП первая стадия может быть исключена или значительно уменьшена.

Следующим этапом создания нетиповой АСУ ТП является разработка технического проекта, в ходе которой принимаются основные технические решения, реализующие требования технического задания. Работы на этом этапе выполняют научно-исследовательская и проектная организации.

Основным содержанием НИР является развитие и углубление предпроектных НИР, в частности, уточнение математических моделей и постановок задач оптимальною управления, проверка с помощью имитационного моделирования на ЭВМ работоспособности и эффективности алгоритмов, выбранных для реализации важнейших информационных и управляющих функций АСУ ТП. Уточняются функциональная и алгоритмическая структуры системы, прорабатываются информационные связи между функциями и алгоритмами, разрабатывается организационная структура АСУ ТП.

Очень важным и трудоемким этапом на стадии ТП является разработка специального программного обеспечения системы. По имеющимся оценкам, трудоемкость создания специального ПО была близка к общему объему предпроектные НИР и составляла 15 % от общих трудозатрат на создание АСУ ТП.

На стадии ТП окончательно выбирают состав KTC и выполняют расчеты но оценке надежности реализации важнейших функций АСУ ТП и системы в целом. Общие затраты труда на проектирование составляют примерно 30 % от затрат на создание АСУ ТП.

На стадии внедрения АСУ ТП производятся монтажные и пусконаладочные работы, последовательность и содержание которых изучаются в соответствующем курсе. Трудозатраты на этой стадии составляют около 30% от общих затрат на систему.

При разработке головных образцов АСУ ТП. подлежащих в дальнейшем тиражированию на однотипных ТОУ, важное значение имеет анализ функционирования системы, в ходе которого проверяют эффективность решений, принятых при ее создании, и определяют фактическую технико-экономическую эффективность АСУ ТП.

1. Структурные схемы объекта регулирования

Один из этапов проектирования систем регулирования технологических процессов - выбор структуры системы и расчет оптимальных параметров регуляторов.

Рис. 1.1. Структурная схема объекга регулирования

И структура системы, и параметры регуляторов определяются свойствами технологического процесса как объекта реагирования.

Любой технологический процесс как объект регулирования (рис. 1.1) характеризуется следующими основными группами переменных:

1. Переменные, характеризующие состояние процесса (совокупность их будем обозначать вектором у). Эти переменные в процессе регулирования необходимо поддерживать на заданном уровне или изменять по заданному закону. Точность стабилизации переменных состояния может быть различной, в зависимости от требований, диктуемых технологией. и возможностей системы регулирования. Как правило, переменные, входящие в вектор у, измеряют непосредственно, но иногда их можно вычислить, используя модель объекта но другим непосредственно измеряемым переменным. Вектор у часто называют вектором регулируемых величин.

2. Переменные, изменением которых система реагирования может воздействовать на объект с целью управления. Совокупность этих переменных обозначаю! вектором хр (или и) регулирующих воздействий. Обычно регулирующими воздействиями служат изменения расходов материальных потоков или потоков энергии.

3. Переменные, изменения которых не связаны с воздействием системы реагирования. Эти изменения отражали влияние на регулируемый объект внешних условий, изменения характеристик самого объекта и т. н. Их называют возмущающими воздействиями и обозначают вектором ха или г. Вектор возмущающих воздействий, в свою очередь, можно разбить на две составляющие - первую можно измерить, а вторую - нельзя. Возможность измерения возмущающего воздействия позволяет ввести в систему peгулирования дополнительный сигнал, что улучшает возможности системы регулирования.

Например, для изотермического химического реактора непрерывного действия, регулируемыми переменными являются температура реакционной смеси, состав потока на выходе из аппарата: регулирующими воздействиями могут быть изменение расхода пара в рубашку реактора, изменение расход катализатора и расхода реакционной смеси; возмущающими воздействиями являются изменения состава сырья, давления греющего пара, причем если давление греющего пара нетрудно измерить, то состав сырья во многих случаях может быть измерен с низкой точностью или недостаточно оперативно.

Анализ технологического процесса как объекта автоматического регулирования предполагает оценку его статических и динамических свойств по каждому из каналов от любого возможного управляющего воздействия к любому возможному регулируемому параметру, а также оценку аналогичных характеристик по каналам связи регулируемых переменных с составляющими вектора возмущений.

В ходе такого анализа необходимо выбрать структуру системы регулирования, т. е. решить, с использованием какого регулирующего воздействия следует управлять тем или иным параметром состояния. В результате во многих случаях (отнюдь не всегда) удается выделить контуры регулирования для каждой из регулируемых величин, т. е. получить совокупность одноконтурных систем регулирования.

Важным элементом синтеза АСР технологического процесса является расчет одноконтурной системы регулирования. При этом требуется выбрать структуру и найти числовые значения параметров регуляторов. Как правило, используют следующие типовые структуры регулирующих устройств (типовые законы регулирования):

пропорциональный (П) регулятор (R(p) = -S₁);

интегральный (И) регулятор (R(p) = -S₀/p);

пропорционально-интегральный (ПИ) закон регулирования (R(p) = -S₁-S₀/p)

и, наконец, пропорционально-интегрально-дифференциальный (ПИД) закон (R(p) = -S₁- -S₀/p – S₂p).

При расчете системы проверяют возможность использования наиболее простого закона регулирования, каждый раз оценивая качество регулирования, и если оно не удовлетворяет 'требованиям, переходят к более сложным законам или используют так называемые схемные методы улучшения качества.

В теории автоматического регулирования разработаны различные методы расчета АСР при заданных критериях качества, а также методы оценки качества переходных процессов при заданных параметрах объекта и регулятора. При этом наряду с точными методами, требующими больших затрат времени и ручного труда, разработаны приближенные методы, позволяющие сравнительно быстро оценить рабочие параметры регулятора или качество переходных процессов (метод Циглера-Никольса для расчета настроек регуляторов; приближенные формулы для оценки интегрального квадратичного критерия и т. д.).

Широкое внедрение вычислительной техники для проектирования систем управления (СУ) и реализации самонастраивающихся СУ практически сняло ограничения, связанные с трудоемкостью методов расчета АСР. В настоящее время создаются пакеты прикладных программ для расчета АСР, позволяющие использовать алгоритмы, основанные на точных методах. При этом приближенные методы обычно применяют для выбора начальных значений переменных в итеративных методах расчета сложных систем регулирования или на начальной стадии проектной разработки системы автоматизации сложных технологических объектов.

2. Последовательность выбора системы автоматизации.

Общая задача управления технологическим процессом формулируется как задача максимизации (минимизации) некоторого критерия (себестоимости, энергозатрат, прибыли) при выполнении ограничении на технологические параметры, накладываемых регламентом. Решение такой задачи для всего процесса в целом трудоемко, или практически невозможно ввиду большого числа факторов, влияющих на ход процесса.

Поэтому весь процесс разбивают на отдельные участки, которые характеризуются сравнительно небольшим числом переменных. Обычно эти участки совпадают с законченными технологическими стадиями, для которых могут быть сформулированы свои подзадачи управления, подчиненные общей задаче управления процессом в целом.

Задачи управления отдельными стадиями направлены на оптимизацию (в частном случае, стабилизацию) технологического параметра или критерия, легко вычисляемого по измеренным режимным параметрам (производительность, концентрация продукта, степень превращения, расход энергии). Оптимизацию критерия проводят в рамках ограничений, задаваемых технологическим регламентом. На основании задачи оптимального управления отдельными стадиями процесса формулируют задачи автоматического регулирования технологических параметров для отдельных аппаратов.

Важным этапом в разработке системы автоматизации является анализ основных аппаратов как объектов регулирования, т. е. выявление всех существенных входных и выходных переменных и анализ статических и динамических характеристик каналов возмущения и регулирования. Исходными данными при этом служат математическая модель процесса и (как первое приближение) статическая модель в виде уравнений материального и теплового балансов. На основе этих уравнений с учетом реальных условий работы аппарата все существенные факторы, влияющие на процесс, разбиваются на следующие группы.

Возмущения, допускающие стабилизацию - это независимые технологические параметры, которые могут испытывать, существенные колебания, однако но условиям работы могут быть стабилизированы с помощью автоматической системы регулирования. К таким параметрам обычно относятся некоторые показатели входных потоков. Так. расход питания можно стабилизировать, если перед аппаратом имеется буферная емкость, сглаживающая колебания расхода на выходе из предыдущего аппарата: стабилизация температуры питания возможна, если перед аппаратом установлен теплообменник, и т. п. При проектировании системы управления целесообразно предусмотреть автоматическую стабилизацию таких возмущений. Это позволит повысить качество управления процессом в целом. В простейших случаях на основе таких систем автоматической стабилизации возмущений строят разомкнутую (относительно основного показателя процесса) систему автоматизации, обеспечивающую устойчивое ведение процесса в рамках технологического регламента.

Контролируемые возмущения - это те возмущения, которые можно измерить, но невозможно или недопустимо стабилизировать (расход питания, подаваемого непосредственно из предыдущего аппарата: температура окружающей среды и т п.). Наличие существенных нестабилизируемых возмущений требует применения либо замкнутых по основному показателю процесса систем регулирования, либо комбинированных АСР. в которых качество регулирования повышается введением динамической компенсации возмущения.

Неконтролируемые возмущения - возмущения, которые невозможно или нецелесообразно измерять непосредственно. Первые - это падение активности и катализатора изменение коэффициентов тепло- и массопередачи и т.н. Примером тому может служить давление греющего пара в заводской сети, которое колеблется случайным образом и является источником возмущения в тепловых процессах. Выявление возможных неконтролируемых возмущений - важный этап в исследовании процесса и разработке системы управления. Наличие таких возмущений требует, как и в предыдущем случае, обязательного применения замкнутых по основному показателю процесса систем автоматизации.

Возможные регулирующие воздействия. Это материальные или тепловые потоки, которые можно изменять автоматически для поддержания регулируемых параметров.

Выходные переменные. Из их числа выбирают регулируемые координаты. При построении замкнутых систем регулирования в качестве регулируемых координат выбирают технологические параметры, изменение которых свидетельствует о нарушении материального или теплового баланса в аппарате.

К ним относятся: уровень жидкости - показатель баланса по жидкой фазе: давление - показатель баланса но тазовой фазе: температура - показатель теплового баланса в аппарате; концентрация - показатель материального баланса по компоненту.

Анализ возможных регулирующих воздействии и выходных координат объекта позволяет выбрать каналы регулирования для проектируемых АСР. При этом в одних случаях решение определяется однозначно, а в других имеется возможность выбора, как регулируемой координаты, так и регулирующего воздействия для заданного выхода. Окончательный выбор каналов регулирования проводят на основе сравнительного анализа статических и динамических характеристик различных канатов. При этом учитывают такие показатели, как коэффициент усиления, время чистого запаздывания, его отношение к наибольшей постоянной времени канала t/Т.

На основе анализа технологического процесса как объекта реагирования проектируют систему автоматизации, обеспечивающую решение поставленной задачи регулирования. Начинают с проектирования одноконтурных АСР отдельных параметров: они наиболее просты в наладке и надежны в работе, поэтому широко используются при автоматизации технологических объектов.