12
более эффективное управление технологическим процессом и достигается
высокое качество выпускаемой продукции, то есть изготавливается мак-
симально допустимое количество продукции хорошего качества при допу-
стимой загрузке технологического оборудования. Причем затраты должны
быть минимальны. Значит, АТК нужно спроектировать таким образом,
чтобы у оборудования были наименьшая масса и габаритные размеры, а
также конструкция оборудования должна гарантировать минимальные по-
тери в узлах трения, технология – максимальную загрузку исходного сы-
рья. ТП должен обеспечить минимальный объем брака.
Все перечисленные выше показатели можно объединить в экономи-
ческий критерий. В случае отсутствия стоимостных эквивалентов, повы-
шение эффективности можно достичь посредством оптимизации наиболее
значительных параметров. Если оптимизируются два параметра, то прихо-
диться искать компромисс.
По типичным задачам управления АСУ ТП, определяющим их
назначение, 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. Напри-
мер, сюда относится система стабилизации скорости шлифования при
уменьшении диаметра шлифовального круга и т.д.
− АСУ ТП, предназначенные для обработки с заранее опреде-
ленной точностью заданное или непрерывно задаваемое оптимальное из-
менение технологического процесса. Системы такого рода используются в
оборудовании с программным числовым управлением, роботах-
манипуляторах, подъемниках лифтов и т.д.
− АСУ ТП, предназначенные для автоматического выбора
наилучшего по какому-либо критерию технологического режима и обес-
13
печивающие либо поддержание выбранного режима, либо автоматический
выбор наилучшей траектории перемещения рабочего элемента и ее обра-
ботку в соответствии с заданными критериями. Ярким примером системы
оптимального управления является АСУ ТП агрегатов рационального рас-
кроя материала.
Современные АСУ ТП имеют ряд важных характеристик:
1. Высокая производительность обработки входящих информацион-
ных потоков является главной характерной чертой современных АСУ ТП.
Все это достигается благодаря применению в системах быстродействую-
щей вычислительной техники: промышленных компьютеров, технологи-
ческих контроллеров, микропроцессоров, управляющих вычислительных
машин.
2. Вторая характерная особенность АСУ ТП достигается именно за
счет применения промышленных компьютеров и технологических кон-
троллеров. Она заключается в высокой гибкости, позволяющей значитель-
но 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
возможность изменения хода процесса.
4. Следующей немаловажной характеристикой АСУ ТП является
способность обеспечить безаварийную или безотказную работу сложного
технологического комплекса. В этих целях в АСУ ТП предусмотрена воз-
можность диагностики технологического оборудования. На основе дан-
ных, полученных из датчиков, АСУ ТП определяет текущее состояние
оборудования и склонности к аварийным ситуациям. Если имеется пред-
расположенность к авариям, система дает команду на остановку процесса
или включение облегченного режима работы. Причем оперативный персо-
14
нал получает информацию о местоположении аварийного участка и о его
характере [9, с. 52].
5. Ремонтопригодность представляет собой свойство, которое за-
ключается в приспособленности АСУ ТП к поддержанию и восстановле-
нию работоспособности после проведения обслуживания или ремонта.
Ремонтопригодность определяется конструкцией ТОУ, то есть предусмат-
ривается в процессе разработки, изготовления и монтажа ТОУ. Именно
отсюда выходит относительное деление объектов управления на подле-
жащие восстановлению и не подлежащие (восстанавливаемые и невосста-
навливаемые) [5, с. 81].
6. Долговечность представляет собой свойство сохранения работо-
способности до момента наступления предельного состояния при заранее
установленной системе ремонта.
Предельное состояние представляет собой состояние объекта управ-
ления, при наступлении которого дальнейшая эксплуатация ТОУ невоз-
можна и недопустима, либо невозможно восстановление его работоспо-
собности.
Если дальнейшее применение ТОУ по назначению становится недо-
пустимым в связи с требованиями безопасности, по экономическим крите-
риям или эффективности, то ТОУ переходит в предельное состояние. А
это приводит к временному или окончательному прекращению его эксплу-
атации [5, с. 82].
7. Безопасность представляет собой свойство ТОУ в ситуации нару-
шения работоспособности не создавать угрозу для окружающей среды.
Свойство безопасности имеет тесную связь со свойством надежности [5, с.
84].
15
8. Надежность представляет собой свойство сохранения во времени
установленных параметров, которые характеризуют способность выпол-
нения требуемых функций в заданных режимах работы [5, с. 77].
9. Живучесть является свойством, которое заключается в способно-
сти АСУ ТП противостоять развитию критических и несущественных от-
казов, повреждений. Иногда вместо понятия «живучесть» применяют по-
нятие «отказоустойчивость» [5, с. 84 – 85].
Функции АСУ ТП можно поделить на информационные, управляю-
щие и вспомогательные [31, с. 48 – 53].
1. Информационная функция АСУ ТП отвечает за процессы сбо-
ра, обработки и предоставления информации оператору для следующей
обработки. Сюда относится:
− централизованный контроль;
− централизованное измерение параметров технологического
процесса;
− косвенное измерение параметров технологического процесса;
− формирование и предоставление данных оператору;
− общая оценка и прогноз состояния технологического оборудо-
вания.
2. Управляющая функция отвечает за формирование и реализа-
цию управляющих операций с технологическим объектом управления.
Сюда относится:
− регулирование значений отдельно взятых технологических пе-
ременных;
− однотактное логическое управление операциями;
− программно-логическое управление совокупностью оборудо-
ваний;
16
− оптимальное управление режимами работы технологического
оборудования;
− адаптивное управление всем объектом в целом.
3. Вспомогательные функции АСУ ТП отвечают за функциони-
рование технических средств, контроль за их состоянием, хранение ин-
формации и т.д.
Рассмотрим принципы построения АСУ ТП. В промышленном про-
изводстве наибольшее распространение нашли три основных принципа:
централизованные управлением, распределенное управление, распреде-
ленно -централизованное или иерархическое управление. На современном
этапе развитие АСУ ТП основывается на применении распределенно –
централизованных систем управления. Это связано с тем, что при их ис-
пользовании формируется иерархия, состоящая из задач управления, и их
решение возлагается на многие ЭВМ [37, с. 178].
Пример распределенного принципа управления показан на рисунке
2.
Рисунок 2 – Распределенное управление
17
В случае распределенного управления каждый объект управля-
ется своей ЭВМ, то есть любым вычислительным техническим средством,
применяемым в целях управления.
Для обеспечения взаимосогласованности рабочих циклов ТОУ меж-
ду управляющими средствами должен происходить обмен информацией.
Каждая ЭВМ должна находиться в связи с остальными ЭВМ системы [39,
с. 271].
Распределенный тип управления характеризуется тем, что при воз-
никновении отказа одного управляющего элемента система сохраняет
свою работоспособность, несмотря на то, что определенная часть исполня-
емых функций может быть потеряна. Однако при распределенном виде
управления усложняется обмен информацией между управляющими сред-
ствами и процесс организации их взаимодействия, тем самым увеличива-
ются 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 од-
ного управляющего устройства, которое опрашивает состояние объектов,
рассчитывает управляющие воздействия и отправляет их на объект управ-
ления [39, с. 272].
Рисунок 3 – Централизованное управление
18
Централизованный вид управления предъявляет высокие требования
к ресурсам управляющего средства и к ее техническим характеристикам.
Одновременное управление несколькими объектами требует от управля-
ющего средства быстродействия и наличия достаточного количества пор-
тов ввода-вывода.
Недостатками централизованного управления являются: большое
количество информационных связей между управляющими устройствами
и ТОУ; из-за территориальной разобщенности ТОУ требование многочис-
ленных длинных соединительных линий, в связи с чем повышаются затра-
ты на создание АСУ ТП и снижается помехоустойчивость. Еще одним
важным недостатком является то, что отказ центрального устройства
управления приводит к прекращению работы в целом всей системы [39, с.
272].
Как было сказано выше, наибольшее применение в современных
АСУ ТП нашел распределенно –централизованный принцип управления.
При данном принципе каждое управляющее средство выбирается исходя
из предъявляемых к конкретной задаче управления требований, что, в
свою очередь, минимизирует требования к ее ресурсам.
Пример распределенно –централизованного принципа управления
показан на рисунке 4.
Рисунок 4 - Распределенно –централизованное управление
19
При распределенно –централизованном принципе управления каж-
дый ТОУ управляется своей локальной системой управления (ЛСУ). Со-
гласование рабочих циклов ТОУ и обеспечение их взаимодействия осу-
ществляет центральная ЭВМ.
Управление объектом происходит на двух уровнях. Для управления
рабочим циклом можно использовать достаточно простую ЭВМ, а на вто-
ром уровне необходим мощный компьютер, чтобы повысить количество
выполняемых системой функций.
Данный принцип управления позволяет передавать меньший объем
информации, что снижает требования к каналам связи. Главным достоин-
ствами являются: гибкость, оптимальное соотношение затрат на линии
связи и ЭВМ, сохранение частичной работоспособности при отказе от-
дельных ЛСУ или центральной ЭВМ [39, с. 273 – 274].
1.3 Обобщенная техническая структура АСУ ТП
Рассмотрим обобщенную техническую структуру АСУ ТП, пред-
ставленную на рисунке 5 [22, с. 136].
Рисунок 5 – Обобщенная техническая структура АСУ ТП
20
Основным содержанием измерительной части АСУ ТП являются
первичные измерительные датчики, а основным требованием – обеспече-
ние достаточной точности проводимых измерений.
Основными устройствами исполнительной части АСУ ТП являются
устройства, которые оказывают влияние на ход технологических процес-
сов в ТОУ. Это исполнительные механизмы и усилители мощности.
Основным требованием к устройствам исполнительной части АСУ
ТП является надежность выполнения управляющих команд и безотказ-
ность рабочего состояния в сложных условиях эксплуатации.
Основным требованием к информационно-управляющей части АСУ
ТП служит реализация заранее определенных алгоритмов управления с
конкретной точностью. Алгоритмы преобразования здесь зависят от
свойств ТОУ, измерительной и исполнительной частей [29, с. 153].
АСУ ТП состоит из следующих взаимосвязанных между собой ком-
понентов [36, c. 187]:
− технического обеспечения;
− программного обеспечения;
− информационного обеспечения;
− организационного обеспечения;
− математического обеспечения;
− метрологического обеспечения;
− лингвистического обеспечения;
− оперативного персонала.
1. Техническое обеспечение АСУ ТП представляет собой совокуп-
ность технических средств, которые необходимы для функционирования
АСУ ТП и реализации ее функций. В его состав входят:
− вычислительные устройства;
− управляющие устройства;
21
− датчики, которые получают, преобразуют, хранят, отображают
и регистрируют входящие сигналы (информацию);
− устройства, предназначенные для передачи сигналов;
− исполнительные устройства [36, с. 223].
2. Программным обеспечением АСУ ТП является совокупность про-
грамм, которые необходимы для реализации функций АСУ ТП. ПО АСУ
ТП можно разделить на специальное и общее.
Специальное ПО АСУ ТП разрабатывается самостоятельно или за-
имствуется из уже готовых фондов в процессе создания системы. Оно раз-
рабатывается на основе общего ПО. Программы специального ПО, имею-
щие возможность многократного применения, после промышленной оцен-
ки могут быть помещены в фонды.
Общее ПО АСУ ТП поставляется в комплекте с средствами ЭВМ.
Сюда можно отнести:
− программы, обеспечивающие функционирование и развитие
системы;
− программы, обеспечивающие автоматизацию процесса разра-
ботки ПО;
− программы, предназначенные для компоновки ПО;
− программы, обеспечивающие организацию работы вычисли-
тельного комплекса;
− служебные и стандартные программы [12, с. 12].
3. Информационное обеспечение АСУ ТП состоит из:
− информации о состоянии АСУ;
− системы кодирования и классификации технологической ин-
формации;
− множества данных и документов, которые необходимы для вы-
полнения функций АСУ ТП.