Автоматизированные системы управления технологическими процессами

Необходимость объективной оценки состояния технологического процесса в реальном масштабе времени и использования полученной информации для корректировки его хода путем координации работы всех локальных систем регулирования ведет к созданию автоматизированных систем управления технологическими процессами.

Автоматизированная система управления технологическим процессом (АСУТП) — это человеко-машинная система управления, обеспечивающая автоматизированный сбор и обработку информации, необходимой для оптимизации управления технологическим объектом в соответствии с принятым критерием. АСУТП предназначена для выработки и реализации управляющих воздействий на технологический объект управления (ТОУ), который представляет собой совокупность технологического оборудования и реализованного на нем согласно инструкциям технологического процесса производства.

К ТОУ относятся технологические агрегаты и установки, реализующие самостоятельный технологический процесс; отдельные производства (цехи, участки) или производственный процесс всего промышленного предприятия, если управление этим производством носит в основном технологический характер, т. е. заключается в реализации рациональных режимов работы взаимосвязанных агрегатов (участков, производств).

Совместно функционирующие ТОУ и управляющая им АСУТП представляют собой автоматизированный технологический комплекс (АТК).

Критерий управления АСУТП — это соотношение, характеризующее качество функционирования технологического объекта управления в целом и принимающее конкретные числовые значения в зависимости от используемых управляющих воздействий. Критерием управления может служить технико-экономический показатель (себестоимость продукта, производительность ТОУ и т. д.) или технический показатель (технологические параметры процесса, прямые или косвенные параметры качества продукта и т. д.).

Система управления ТОУ является автоматизированной системой управления технологическим процессом, если она осуществляет управление в темпе протекания технологического процесса и если в выработке и реализации решений по управлению участвуют средства вычислительной техники и другие технические средства, а также человек (оператор).

Функции АСУТП как человеко-машинной системы подразделяются на управляющие, информационные и вспомогательные. Управляющая функция АСУТП — это функция, результатом которой являются выработка и реализация управляющих воздействий на ТОУ.

К основным управляющим функциям АСУТП относятся:

регулирование (стабилизация) отдельных технологических параметров;

• — программное логическое управление группой оборудования;
• — оптимальное управление технологическими режимами или отдельными стадиями (участками) процесса.

Информационная функция, А СУТИ — это функция системы, содержанием которой являются сбор, обработка и представление информации о состоянии АТК оперативному персоналу или передача этой информации для последующей обработки. В частности, основными информационными функциями АСУТП являются централизованный контроль и измерение технологических параметров; косвенное измерение (вычисление) параметров процесса (технико-экономических и др.); формирование и выдача данных оперативному персоналу АСУТП и АТК; обобщенная оценка и прогноз состояния АТК и его оборудования.

Вспомогательные функции АСУТП — это функции, обеспечивающие функционирование АСУТП (функционирование технических средств системы, контроль за их состоянием, хранением информации и т. п.).

В зависимости от степени участия человека в выполнении функций системы различаются два режима реализации функций: автоматизированный и автоматический.

При автоматизированном режиме человек участвует в выработке (принятии) решений и (или) их реализации. Здесь возможны следующие варианты: ручной режим — комплекс технических средств представляет оперативному персоналу контрольно-измерительную информацию о состоянии ТОУ, а выбор и осуществление управляющих воздействий производит человек; режим «советчика» — комплекс технических средств вырабатывает рекомендации по управлению, а решение об их использовании принимает и реализует человек; диалоговый режим — человек имеет возможность корректировать постановку и условия задачи, решаемой комплексом технических средств системы при выработке рекомендаций по управлению объектом.

При автоматическом режиме осуществляются автоматическая выработка и реализация управляющих воздействий. При этом также возможны следующие варианты: режим косвенного управления — средства вычислительной техники автоматически изменяют уставки (задания) и (или) параметры настройки локальных систем автоматического управления (регулирования); режим прямого (непосредственного) цифрового управления — управляющее вычислительное устройство формирует воздействие на исполнительные устройства.

Для выполнения функций АСУТП необходимо взаимодействие ее составных частей (технического обеспечения; программного обеспечения, информационного обеспечения; организационного обеспечения, оперативного персонала).

Техническое обеспечение АСУТП представляет собой полную совокупность технических средств, достаточную для функционирования АСУТП и реализации системой всех ее функций.

В состав комплекса технических средств (КТС) входят вычислительные и управляющие устройства, средства получения, преобразования, хранения, отображения и регистрации информации, устройства передачи сигналов и исполнительные устройства.

Программное обеспечение АСУТП — это совокупность программ, необходимая для реализации функций АСУТП, заданного функционирования КТС АСУТП и предполагаемого развития системы. Программное обеспечение АСУТП подразделяется на общее программное обеспечение и специальное программное обеспечение.

Общее программное обеспечение АСУТП поставляется в комплекте со средствами вычислительной техники. К общему программному обеспечению АСУТП относятся необходимые в процессе функционирования и развития системы программы, средства автоматизации разработки программ, компоновки программного обеспечения, организации функционирования вычислительного комплекса и другие служебные и стандартные программы (организующие программы, транслирующие программы, библиотеки стандартных программ и др.).

Специальное программное обеспечение АСУТП разрабатывается или заимствуется из соответствующих фондов при создании конкретной системы и включает программы реализации основных (управляющих и информационных) и вспомогательных (обеспечение заданного функционирования КТС системы, проверка правильности ввода информации, контроль за работой КТС системы и т. п.) функций АСУТП.

Специальное программное обеспечение АСУТП разрабатывается на базе и с использованием программ общего программного обеспечения.

Информационное обеспечение АСУТП включает информацию, характеризующую состояние автоматизированного технологического комплекса; системы классификации и кодирования технологической и технико-экономической информации; массивы данных и документов, необходимые для выполнения всех функций АСУТП, в том числе нормативно-справочную информацию.

Организационное обеспечение АСУТП представляет собой совокупность описаний функциональной, технической и организационной структур, инструкций и регламентов для оперативного персонала автоматизированной системы управления технологическим процессом, обеспечивающую заданное функционирование оперативного персонала в составе АТК.

В состав оперативного персонала АСУТП входят технологи-операторы, осуществляющие контроль за работой и управление ТОУ с использованием информации и рекомендаций по рациональному управлению, выработанных комплексом технических средств АСУТП; эксплуатационный персонал АСУТП, обеспечивающий правильность функционирования КТС АСУТП.

Ремонтный персонал в состав оперативного персонала АСУТП не входит.

ГОСТ 34.601—90 определяет последовательность работ, связанных с разработкой, проектированием, внедрением и промышленной эксплуатацией автоматизированных систем (АС), в частности, АСУТП. Этапы создания автоматизированной системы приведены в табл. 7.1.

Таблица 7.1

Этапы создания автоматизированных систем.

Окончание табл. 7.1

В качестве примера рассмотрим автоматическую систему управления производством питьевого молока.

С помощью датчиков и преобразователей сигналов, расположенных в технологических помещениях в непосредственной близости от оборудования, обеспечивается сбор и передача информации в систему. В системе выполняется множество вычислительных и логических функций (расчет баланса по количеству сырья и продукта, расчет косвенных параметров по измеряемым, формирование сигналов управления и т. д.) и вывод сигналов управления на исполнительные устройства (насосы, пневматические клапаны и т. п.). Кроме того, в автоматизированную систему входит устройство, предназначенное для обмена информацией (системная консоль с клавиатурой) для ввода сигналов управления, а также видеотерминал и печатающее устройство для вывода информации оператору и документирования ее. На рис. 7.4 представлены состав и конфигурация системы.

Рис. 7.4. Состав и конфигурация управляющего вычислительного микропроцессорного комплекса системы производства питьевого молока

По виду сигналов, используемых в системе, в ней можно выделить два сечения: сечение сигналов ввода-вывода (совокупность сигналов, вырабатываемых датчиками и преобразователями сигналов, поступающих на вход вычислительного комплекса, и совокупность сигналов, сформированных системой для управления исполнительными устройствами) и сигналов внутрисистемного обмена (совокупность сигналов обмена между центральным процессом системы и ее модулям по шинам адреса, данных и управления).

Сигналы ввода-вывода могут быть различных типов, как аналоговыми, так и дискретными.

Сигналы внутрисистемного обмена — это дискретные сигналы нормированного уровня, характеристики которых определяются общими для всех устройств вычислительного комплекса параметрами серий интегральных микросхем. Последними сигналами обмениваются устройства комплекса по системе адресной, информационной шин и шине управления. Совокупность указанных шин вместе с определенной для них временной диаграммой движения сигналов и оконечными устройствами модулей, подключенных к этим шинам, образуют интерфейс системы.

Для преобразования сигналов сечения ввода в сигналы внутреннего обмена интерфейса и сигналов интерфейса в сигналы вывода система содержит ряд модулей ввода-вывода.

В системе используются следующие модули ввода-вывода:

• • МВВД — модуль приема и ввода двухпозиционных сигналов
• • МВД — модуль вывода управляющих сигналов на двухпозиционные исполнительные механизмы
• • МВВЧ — модуль приема и ввода цифровой информации
• • MBB, А — модуль аналого-цифрового преобразования
• • MBA — модуль цифро-аналогового преобразования
• • МКУ — модуль компараторов уровня для приема и сравнения аналоговых сигналов с программнозаданной установкой
• • МКС — модуль контроля функционирования системы

В целом работу системы можно свести к следующему. Центральный процессор является устройством, работающим в пошаговом режиме. В каждом шаге он «обращается» к постоянной памяти (МПЭ), считывая очередную команду из программы (совокупность команд), записанной в МПЭ. В соответствии со считанной командой процессор выполняет предписанные операции. Совокупность команд и соответствующих операций составляет систему команд данного процессора. Таким образом, помещая в МПЭ различные наборы команд, можно обеспечить выполнение процессором необходимой последовательности операций. Существенным свойством процессора является способность не только последовательно выполнять операции, соответствующие последовательности команд, записанных в программе МПЭ, но выполнять команды по принятию решения об изменении нормальной последовательности команд.

Аналоговая информация с первичных измерительных преобразователей о текущих значениях технологических параметров и информация о положении двухпозиционных исполнительных механизмов поступает соответственно на аналого-цифровой преобразователь (модуль МВВА) и на устройство, обеспечивающее ввод двухпозиционных сигналов (модуль МВВД). Цифровая информация вводится с помощью модуля МВВЧ.

Модуль МВД осуществляет управлении исполнительными механизмами в режиме «открыто-закрыто». Модуль MBA служит для управления работой исполнительных механизмов в непрерывном режиме. Модуль МКУ решает задачи сигнализации, блокировки и защиты при нарушениях в ходе технологического процесса. Модуль МКС осуществляет контроль работы технических средств и выдает сообщении при их неисправности.

В соответствии с программой, заложенной в МПЭ, в оперативную память (МОЭ) процессора поступают с устройств ввода входные данные. Там происходит их логическая и арифметическая обработки, полученные сигналы управления выводятся из МОЭ на устройства вывода.

Рассмотренная система обеспечивает автоматизированное управление производством. Наличие в системе консоли с видеотерминалом позволяет оператору следить за ходом технологического процесса. Печатающее устройство обеспечивает запись и документирование основных параметров процесса, а клавишное устройство дает возможность оператору регулировать работу системы.

Система позволяет контролировать 400—500 дискретных и аналоговых датчиков, управлять 300 дискретными и аналоговыми исполнительными органами.