Топология распределенных автоматизированных систем управления технологическими процессами

Классификация систем и средств управления технологическими процессами

В сфере промышленного производства практический интерес представляют системы управления технических классов:

– локальные системы контроля, регулирования и управления (ЛСК РиУ);

Рис. 1.4.Локальная система контроля, регулирования и управления: 1 – локальный регулятор; 2 – исполнительное устройство; 3 – датчик; 4 – устройство связи с оператором (УС ОП)

– центральные системы контроля, регулирования и управления (СЦКРиУ);

– собственно АСУ ТП.

ЛСКРиУ (рис. 1.4) эффективны при автоматизации технологических независимых объектов с компактным расположением основного оборудования и несложными целями управления (стабилизация, программное управление). Они характеризуются хорошо отработанной технологией и стационарными условиями эксплуатации.

Локальный регулятор может быть аналоговым, цифровым одно– или многоканальным. Наличие человека оператора – лица, принимающего решение, (ЛПР) позволяет использовать эту структуру на объектах с невысоким уровнем механизации и надежности технологического оборудования, осуществляет общий контроль за ходом технологического процесса и ручное управление.

Рис. 1.5. Центральная система контроля, регулирования и управления: 1 – приборы сигнализации вызывного контроля, мнемосхемы, табло; 2 – задающее устройство; 3 – центральный пульт контроля и управления; 4 – дистанционное УУ; 5 – логико-командное устройство; 6 – локальный регулятор; 7 – вторичный преобразователь

Структура локальной системы соответствует классической структуре системы управления и содержит датчик измеряемых переменных на выходе ТОУ, автоматические регуляторы, исполнительные устройства, передающие команды управления на регулирующие органы ТОУ.

Автоматизированные СЦКРиУ (рис. 1.5) предназначены для сбора и обработки данных об объекте управления и выработке на основе их анализа в соответствии с целями системы управляющих воздействий. Появление этого класса систем связано с увеличением количества контролируемых параметров и с территориальной рассредоточенностью ТОУ.

В данных системах, кроме функций, свойственных локальным системам, появились функции дистанционного управления, логико-командного управления со средствами представления измерений от датчиков, вторичные преобразователи и задающие устройства.

Для непосредственного воздействия на ТОУ используются исполнительные механизмы и устройства.

АСУ ТП (рис. 1.6). Развитие экономико-математических методов управления широким использованием современной вычислительной техники позволило существенно облегчить работу оператора при управлении сложным ТОУ. В результате появились человеко-машинные системы управления ТП (технологическими процессами), в которых обработка информации и формирование оптимального управления осуществляется человеком с помощью УВМ. УВМ в этом случае является многоканальным информационным управляющим устройством в АСУ ТП.

Рис. 1.6. Структура АСУ ТП: 1 – устройство связи с оператором; 2 – УС с объектом (АЦП и ЦАП); 3 – ручное управление

В зависимости от распределения информационных и управляющих функций между человеком и УВМ, между УВМ и средствами контроля и регулирования возможны различные принципы построения АСУ ТП. Наибольшее распространение в промышленной практике получили три принципа построения АСУ ТП:

– централизованная АСУ ТП;

– АСУ ТП с супервизорным управлением;

– децентрализованные, распределенные АСУ ТП.

Централизация СУ (систем управления) экономически оправдана при сравнительно небольшом числе каналов контроля и регулирования ТОУ и его территориальной сосредоточенности. В централизованных АСУ ТП часто используется режим непосредственного или прямого цифрового управления (без локальных регуляторов).

Рис. 1.7. Типовая структура централизованного АСУ ТП

Типовая структура централизованного АСУ ТП представлена на рис. 1.7. АСУ ТП включает в себя УСО и УВМ и осуществляет централизованное управление одним или несколькими технологическими производствами. Надежность всего комплекса определяется УСО и УВМ, при выходе из строя которых функционирование невозможно.

Широкими возможностями и лучшей надежностью обладают АСУ ТП, работающие в так называемом супервизорном режиме, когда УВМ (управляющая вычислительная машина) выполняет функции советчика. Основная задача супервизорного управления – автоматическая поддержка процесса вблизи оптимальной рабочей точки. Это управление позволяет оператору-технологу использовать плохо формализованную информацию о ходе технологического процесса, вводя через УВМ коррекцию уставок, параметров алгоритмов регулирования в локальные контуры.

Работа информационно-измерительной части системы супервизорного управления не отличается от централизованной системы. Функции оператора сводятся лишь к наблюдению, а его вмешательство необходимо только в аварийных ситуациях. Например, оператор вводит необходимые изменения в управлении процессом при изменении сырья или состава вырабатываемой продукции. Это требует определение новых значений коэффициентов уравнений математической модели объектов управления, т.е. адаптация АСУ ТП к изменяющимся новым условиям.

Развитие АСУ ТП на современном этапе связано с широким использованием для управления микропроцессорами, микро ЭВМ, стоимость которых с каждым годом становится более низкой по сравнению с общими затратами создания систем управления. Причем одновременно ощущается ограниченность возможностей централизованных систем, так как их характеристики не отвечают современным требованиям по надежности, гибкости, стоимости систем связи и программного обеспечения. Это привело к переходу от централизованных систем управления к децентрализованным. Этот переход вызван также возрастанием мощности отдельных технологических агрегатов, их усложнением, повышением требований по быстродействию и точности.

При большом числе каналов контроля, регулирования и управления, большой длине линий связи в АСУ ТП децентрализация структуры СУ становится принципиальным методом повышения живучести АСУ ТП, снижение стоимости ее создания и эксплуатационных расходов. Наиболее перспективным направлением децентрализации АСУ ТП являются архитектуры, базирующиеся на функционально-целевой и топологической децентрализации ТОУ:

1. Функционально-целевая децентрализация – разделение сложного процесса или системы на меньшие части (подпроцессы, подсистемы) по функциональному принципу, например, пределы технологического процесса, режимы работы агрегатов и т.д.

2. Топологическая децентрализация означает возможность территориального, т.е. пространственного, разделения процесса на функционально-целевые подпроцессы. При этом целевой функцией является минимизация суммарной линий связи, образующих вместе с логическими подсистемами управления сетевую структуру.

Подсистема нижнего уровня

Рис. 1.8. Звездообразная топология: ЦП – центральная подсистема; УСЦ – центральное устройство связи; УС – устройство сближения; ЛА – локальная автоматика

Принято выделять три основных топологических структуры взаимодействия подсистем:

– звездообразная (радиальная) (рис. 1.8);

– кольцевая (петлевая) (рис. 1.9);

– шинная (магистральная) (рис. 1.10).

Надежность подсистемы связи в зависит от надежности и живучести центральной подсистемы.

Рис. 1.9. Кольцевая топология

Выход из строя ЦП разрушает систему обмена, так как все потоки информации замыкаются через верхний уровень. Распределенная система с радиальной структурой является двухуровневой системой, где на нижнем уровне подсистем реализуются необходимые функции контроля, регулирования управления, а на втором уровне в ЦП – координирующие микро ЭВМ.

Для повышения живучести необходимо применение двойных колец или дополнительных линий связи с обходными путями.

Рис. 1.10. Магистральная топология

Анализ типовых топологий систем показывает:

1) наиболее перспективной в смысле развития и использования является магистральная организация подсистем связи;

2) функциональные возможности магистральной топологии не уступают возможностям кольцевой и звездной;

3) надежные свойства магистральной структуры вполне удовлетворительны;

4) магистральная топология распределенных АСУ ТП требует больших затрат на создание канала связи.

Дата добавления: 2014-12-16