24
Рисунок 1 – Функционально-структурная схема АСУ ТП
В любой АСУ ТП выделяют три основных элемента: ТОУ, комплекс
технических средств для управления и контроля (КТС), оперативный персо-
нал.
В зависимости от уровня участия оперативного персонала в управле-
нии выделяют следующие способы управлении:
1. Ручное местное – это управление, при котором человек непосред-
ственным образом на месте выполняет управление оборудованием. Оно ис-
пользуется для проверки, наладки и ремонта в автоматическом режиме.
2. Ручное дистанционное – это управление, при котором человек на
управляет оборудованием на значительном расстоянии с помощью пультов
или щитов, находящихся в операторских пунктах [41, с.324].
3. Автоматизированное управление - – это управление, при кото-
ром оборудованием управляет человек и комплекс технических средств. Тех-
нические средства получают информацию об объекте управления, после пре-
25
образования обрабатывают ее, создают управляющие команды и выполняют
их. Человеком осуществляются такие операции, как пуск и остановка, изме-
нение режимов работы оборудования, определение цели и критериев управ-
ления [42, с.63].
4. Автоматическое управление - это управление, при котором обо-
рудование полностью управляется только техническим средством без уча-
стия человека [37, с.121].
Оперативный персонал выполняет следующие функции:
− контролирует работу технических средств АСУ ТП, а также сле-
дит за состоянием оборудования;
− при возникновении неисправности отдельных компонентов или
всей системы оказывает оперативное вмешательство в технологический про-
цесс;
− осуществляет связь с остальными службами и регистрирует не-
стандартные ситуации;
− обеспечивает продолжение технологического процесса в случае
полного или частичного отказа АСУ ТП [9, с. 52].
Классификация АСУ ТП представляет собой правила разделения груп-
пы этих систем на подгруппы, в пределах которых все входящие в них АСУ
ТП одинаковы, похожи или близки по тому или иному отношению.
Классификация АСУ ТП, которая будет далее рассмотрена, может быть
использована в следующих целях:
− выбор на ранних этапах разработки АСУ ТП аналолгичных си-
стем;
− оценка необходимых ресурсов при планировании работ по проек-
тированию АСУ ТП;
− определение качества АСУ ТП;
− определение капиталоемкости АСУ ТП.
Основными классификационными признаками являются:
26
1. Уровень, который занимает АСУ ТП и ТОУ в структуре пред-
приятия (таблица 1).
Таблица 1
Классификация АСУ ТП по уровню, занимаемому в структуре предприятия
Код
Класс АСУ ТП
ТОУ
1
АСУ ТП нижнего уровня
Технологические установки и аг-
регаты, участки производства
2
АСУ ТП верхнего уровня
Множества установок, цеха про-
изводства, но сюда не входят
АСУ ТП нижнего уровня
3
Многоуровневые АСУ ТП
Включает АСУ ТП верхнего и
нижнего уровня
2. Характер протекания во времени технологического процесса
(таблица 2), который определяется дискретностью или непрерывностью по-
ступления сырья, наличием и длительностью дискретных воздействий на пе-
реработку входных материалов, наличием (отсутствием) переходных и дли-
тельных установившихся режимов функционирования ТОУ.
Таблица 2
Классификация АСУ ТП по характеру протекания во времени технологиче-
ского процесса
Код
Класс АСУ ТП
Характер ТП
н
АСУ с непрерывным ТП
Непрерывное длительное поддержа-
ние режимов, практически безоста-
новочная подача реагентов и сырья
п
АСУ с непрерывно дискретным
ТП
Непрерывные в сочетании с преры-
вистыми режимы функционирования
технологических установок или ста-
дий процесса
д
АСУ с дискретным ТП
Прерывистая, несущественная для
управления длительность технологи-
ческих воздействий
27
3. Показатель, характеризующий условную информационную мощ-
ность (таблица 3), то есть количество контролируемых или измеряемых тех-
нологических переменных.
Таблица 3
Классификация АСУ ТП по показателю, характеризующему условную ин-
формационную мощность
Код
Уровень условной ин-
формационной мощно-
сти
Количество контролируемых или измеря-
емых технологических переменных
Минимальное
Максимальное
1
Наименьший
10
40
2
Малый
41
160
3
Средний
161
650
4
Повышенный
651
2500
5
Большой
2501
4. Показатель, характеризующий функциональную надежность
АСУ ТП (таблица 4), оказывает влияние на многие технические характери-
стики системы и на значения показателей эффективности системы.
Таблица 4
Классификация АСУ ТП по показателю, характеризующему функциональ-
ную надежность
Код
Функциональная надежность
Характеристика уровня
1
Минимальная
Почти не регламентируется, спе-
циальных мер не требуется
2
Средняя
Регламентируется, но, тем не ме-
нее, отказы в работе АСУ ТП не
приводят к остановке ТОУ
3
Высокая
Регламентируется жестко, отказы
в работе АСУ ТП могут привести
к аварии или остановке ТОУ
28
5. Тип функционирования АСУ ТП (таблица 5), который характери-
зуется множеством автоматически выполняемых управляющих и информа-
ционных функций [34, с. 13 – 17].
Таблица 5
Классификация АСУ ТП по типу функционирования
Код
Тип функциониро-
вания АСУ ТП
Характеристика особенностей функциониро-
вания системы
и
Информационный
Только информационные функции выполня-
ются автоматически; решения, касающиеся
управления, принимает и приводит в дей-
ствие оператор
л
Локально –
автоматический
Информационные функции и локальное
управление выполняется автоматически; ре-
шения, касающиеся управления, принимает и
приводит в действие оператор
с
Советующий
Информационные функции и локальное
управление выполняется автоматически; по-
средством модели процесса формируются со-
веты для выбора операций управления с уче-
том определенных критериев
а
Автоматический
Все функции АСУ ТП, в том числе функция
управления, выполняются в автоматическом
режиме
1.2. Назначение и характеристики современных АСУ ТП
Главным назначением АСУ ТП является автоматическая оптимизация
технологических процессов. В системах такого рода обеспечивается более
эффективное управление технологическим процессом и достигается высокое
качество выпускаемой продукции, то есть изготавливается максимально до-
пустимое количество продукции хорошего качества при допустимой загрузке
технологического оборудования. Причем затраты должны быть минимальны.
29
Значит, АТК нужно спроектировать таким образом, чтобы у оборудования
были наименьшая масса и габаритные размеры, а также конструкция обору-
дования должна гарантировать минимальные потери в узлах трения, техно-
логия – максимальную загрузку исходного сырья. ТП должен обеспечить ми-
нимальный объем брака.
Все перечисленные выше показатели можно объединить в экономиче-
ский критерий. В случае отсутствия стоимостных эквивалентов, повышение
эффективности можно достичь посредством оптимизации наиболее значи-
тельных параметров. Если оптимизируются два параметра, то приходиться
искать компромисс.
По типичным задачам управления АСУ ТП, определяющим их назна-
чение, выделяют следующие группы:
− АСУ ТП, предназначенные для стабилизации или поддержания
заданного оптимального технологического режима, то есть таких парамет-
ров, влияние действующих возмущений на которые существенно. Например,
сюда относится система стабилизации скорости шлифования при уменьше-
нии диаметра шлифовального круга и т.д.
− АСУ ТП, предназначенные для обработки с заранее определен-
ной точностью заданное или непрерывно задаваемое оптимальное изменение
технологического процесса. Системы такого рода используются в оборудо-
вании с программным числовым управлением, роботах-манипуляторах,
подъемниках лифтов и т.д.
− АСУ ТП, предназначенные для автоматического выбора наилуч-
шего по какому-либо критерию технологического режима и обеспечивающие
либо поддержание выбранного режима, либо автоматический выбор наилуч-
шей траектории перемещения рабочего элемента и ее обработку в соответ-
ствии с заданными критериями. Ярким примером системы оптимального
управления является АСУ ТП агрегатов рационального раскроя материала.
Современные АСУ ТП имеют ряд важных характеристик:
30
1. Высокая производительность обработки входящих информационных
потоков является главной характерной чертой современных АСУ ТП. Все это
достигается благодаря применению в системах быстродействующей вычис-
лительной техники: промышленных компьютеров, технологических кон-
троллеров, микропроцессоров, управляющих вычислительных машин.
2. Вторая характерная особенность АСУ ТП достигается именно за счет
применения промышленных компьютеров и технологических контроллеров.
Она заключается в высокой гибкости, позволяющей значительно увеличить
гибкость ТОУ в процессе перехода на новую технологию.
3. Еще одна важная характеристика – адаптивность, то есть АСУ ТП
при изменении исходного сырья или состояния агрегатов должны иметь воз-
можность изменения хода процесса.
4. Следующей немаловажной характеристикой АСУ ТП является спо-
собность обеспечить безаварийную или безотказную работу сложного техно-
логического комплекса. В этих целях в АСУ ТП предусмотрена возможность
диагностики технологического оборудования. На основе данных, получен-
ных из датчиков, АСУ ТП определяет текущее состояние оборудования и
склонности к аварийным ситуациям. Если имеется предрасположенность к
авариям, система дает команду на остановку процесса или включение облег-
ченного режима работы. Причем оперативный персонал получает информа-
цию о местоположении аварийного участка и о его характере [9, с. 52].
5. Ремонтопригодность представляет собой свойство, которое заключа-
ется в приспособленности АСУ ТП к поддержанию и восстановлению рабо-
тоспособности после проведения обслуживания или ремонта. Ремонтопри-
годность определяется конструкцией ТОУ, то есть предусматривается в про-
цессе разработки, изготовления и монтажа ТОУ. Именно отсюда выходит от-
носительное деление объектов управления на подлежащие восстановлению и
не подлежащие (восстанавливаемые и невосстанавливаемые) [5, с. 81].
31
6. Долговечность представляет собой свойство сохранения работоспо-
собности до момента наступления предельного состояния при заранее уста-
новленной системе ремонта.
Предельное состояние представляет собой состояние объекта управле-
ния, при наступлении которого дальнейшая эксплуатация ТОУ невозможна и
недопустима, либо невозможно восстановление его работоспособности.
Если дальнейшее применение ТОУ по назначению становится недопу-
стимым в связи с требованиями безопасности, по экономическим критериям
или эффективности, то ТОУ переходит в предельное состояние. А это приво-
дит к временному или окончательному прекращению его эксплуатации [5, с.
82].
7. Безопасность представляет собой свойство ТОУ в ситуации наруше-
ния работоспособности не создавать угрозу для окружающей среды. Свой-
ство безопасности имеет тесную связь со свойством надежности [5, с. 84].
8. Надежность представляет собой свойство сохранения во времени
установленных параметров, которые характеризуют способность выполнения
требуемых функций в заданных режимах работы [5, с. 77].
9. Живучесть является свойством, которое заключается в способности
АСУ ТП противостоять развитию критических и несущественных отказов,
повреждений. Иногда вместо понятия «живучесть» применяют понятие «от-
казоустойчивость» [5, с. 84 – 85].
Функции АСУ ТП можно поделить на информационные, управляющие
и вспомогательные [31, с. 48 – 53].
1. Информационная функция АСУ ТП отвечает за процессы сбора,
обработки и предоставления информации оператору для следующей обра-
ботки. Сюда относится:
− централизованный контроль;
− централизованное измерение параметров технологического про-
цесса;
32
− косвенное измерение параметров технологического процесса;
− формирование и предоставление данных оператору;
− общая оценка и прогноз состояния технологического оборудова-
ния.
2. Управляющая функция отвечает за формирование и реализацию
управляющих операций с технологическим объектом управления. Сюда от-
носится:
− регулирование значений отдельно взятых технологических пере-
менных;
− однотактное логическое управление операциями;
− программно-логическое управление совокупностью оборудова-
ний;
− оптимальное управление режимами работы технологического
оборудования;
− адаптивное управление всем объектом в целом.
3. Вспомогательные функции АСУ ТП отвечают за функциониро-
вание технических средств, контроль за их состоянием, хранение информа-
ции и т.д.
Рассмотрим принципы построения АСУ ТП. В промышленном произ-
водстве наибольшее распространение нашли три основных принципа: цен-
трализованные управлением, распределенное управление, распределенно -
централизованное или иерархическое управление. На современном этапе
развитие АСУ ТП основывается на применении распределенно –
централизованных систем управления. Это связано с тем, что при их исполь-
зовании формируется иерархия, состоящая из задач управления, и их реше-
ние возлагается на многие ЭВМ [37, с. 178].
Пример распределенного принципа управления показан на рисунке 2.
33
Рисунок 2 – Распределенное управление
В случае распределенного управления каждый объект управляется
своей ЭВМ, то есть любым вычислительным техническим средством, приме-
няемым в целях управления.
Для обеспечения взаимосогласованности рабочих циклов ТОУ между
управляющими средствами должен происходить обмен информацией. Каж-
дая ЭВМ должна находиться в связи с остальными ЭВМ системы [39, с. 271].
Распределенный тип управления характеризуется тем, что при возник-
новении отказа одного управляющего элемента система сохраняет свою ра-
ботоспособность, несмотря на то, что определенная часть исполняемых
функций может быть потеряна. Однако при распределенном виде управления
усложняется обмен информацией между управляющими средствами и про-
цесс организации их взаимодействия, тем самым увеличиваются требования
к ресурсам ЭВМ [38, с. 321].
Пример централизованного управления приведен на рисунке 3. При
данном виде управления все ТОУ соединены со входами и выходами одного
управляющего устройства, которое опрашивает состояние объектов, рассчи-
тывает управляющие воздействия и отправляет их на объект управления [39,
с. 272].