Введение. Развитие систем автоматизированного управления

Лекция №1

Модуль 1

Современная автоматизированная система управления технологическим процессом(АСУТП) представляет собой многоуровневую человеко-машинную систему управления.

Рис. 1. Структурная схема автоматизированного управления ТП

В автоматизированной системе управления сбор, переработка и вывод информации осуществляются автоматически или автоматизировано. При обработке информации для анализа обстановки, кроме текущих данных о состоянии производственного процесса, используют также нормативные данные, плановые данные и математическое описание (модель) производства.

Непрерывную во времени картину развития АСУТП можно разделить на три этапа, обусловленные появлением качественно новых научных идей и технических средств.

Первый этап отражает внедрение систем автоматического регулирования (САР). Объектами управления на этом этапе являются отдельные параметры, установки, агрегаты; решение задач стабилизации, программного управления, слежения переходит от человека к САР. Человек реализует функции расчета задания и параметров настройки регуляторов.

Второй этап - автоматизация технологических процессов. Объектом управления становится рассредоточенная в пространстве система. С помощью систем автоматического управления (САУ) реализуются все более сложные законы управления, решаются задачи оптимального и адаптивного управления, проводится идентификация объекта и состояний системы. Характерной особенностью этого этапа является внедрение систем телемеханики в управление технологическими процессами. Человек все больше отдаляется от объекта управления, между объектом и диспетчером выстраивается целый ряд измерительных систем, исполнительных механизмов, средств телемеханики, мнемосхем и других средств отображения информации (СОИ).

Третий этап - автоматизированные системы управления технологическими процессами (АСУТП). АСУ ТП – человеко-машинная система управления, обеспечивающая автоматизированный сбор и обработку информации, необходимой для оптимизации управления технологического объекта управления (ТОУ) в соответствии с принятым критерием. Характеризуется внедрением в управление технологическими процессами вычислительной техники. Вначале – применение микропроцессоров, использование на отдельных фазах управления вычислительных систем. Затем активное развитие человеко-машинных систем управления, инженерной психологии, методов и моделей исследования операций и, наконец, диспетчерское управление на основе использования автоматических информационных систем сбора данных и современных вычислительных комплексов.

Диспетчер в многоуровневой автоматизированной системе управления технологическими процессами получает информацию с монитора компьютера или с электронной системы отображения информации и воздействует на объекты, находящиеся от него на значительном расстоянии, с помощью телекоммуникационных систем, контроллеров, интеллектуальных исполнительных механизмов.

Распределение интеллекта в системе управления (СУ). Обобщенная схема системы контроля и управления технологическими процессами.

Многие проекты автоматизированных систем контроля и управления (СКУ) для большого спектра областей применения позволяют выделить обобщенную схему их реализации, представленную на рис. 2.

Рис. 2. Обобщенная схема системы контроля и управления технологическими процессами

Как правило, это двухуровневые системы, так как именно на этих уровнях реализуется непосредственное управление технологическими процессами. Специфика каждой конкретной системы управления определяется используемой на каждом уровне программно-аппаратной платформой.

Нижний уровень - уровень объекта (контроллерный) - включает различные датчики для сбора информации о ходе технологического процесса, электроприводы и исполнительные механизмы для реализации регулирующих и управляющих воздействий. Датчики поставляют информацию локальным программируемым логическим контроллерам PLC (Programming Logical Controller),которые могут выполнять следующие функции:

· сбор и обработка информации о параметрах технологического процесса;

· управление электроприводами и другими исполнительными механизмами;

· решение задач автоматического логического управления и др.

Так как информация в контроллерах предварительно обрабатывается и частично используется на месте, существенно снижаются требования к пропускной способности каналов связи.

В качестве локальных PLC в системах контроля и управления различными технологическими процессами в настоящее время применяются контроллеры как отечественного, так и зарубежного производства. На рынке представлены десятки типов контроллеров, способных обрабатывать от нескольких до нескольких сот переменных.

К аппаратно-программным средствам контроллерного уровня управления предъявляются жесткие требования по надежности, времени реакции на исполнительные устройства, датчики и т.д. Программируемые логические контроллеры должны гарантированно откликаться на внешние события, поступающие от объекта, за время, определенное для каждого события. Для критичных с этой точки зрения объектов рекомендуется использовать контроллеры с операционными системами реального времени (ОСРВ). Контроллеры под управлением ОСРВ функционируют в режиме жесткого реального времени.

Микро - SCADA - это системы, реализующие стандартные базовые функции, присущие SCADA -системам верхнего уровня, но ориентированные на решение задач автоматизации в определенной отрасли, т.е. узкоспециализированные системы. В противоположность им SCADA -системы верхнего уровня являются универсальными.

Все компоненты системы управления объединены между собой каналами связи. Обеспечение взаимодействия SCADA -систем с локальными контроллерами, контроллерами верхнего уровня, офисными и промышленными сетями возложено на так называемое коммуникационное программное обеспечение.

Большой объем информации, непрерывно поступающий с устройств ввода-вывода систем управления, предопределяет наличие в таких системах баз данных (БД). Основная задача баз данных - своевременно обеспечить пользователя всех уровней управления требуемой информацией.

Для специалиста-разработчика системы автоматизации, так же как и для специалиста-технолога, очень важен графический пользовательский интерфейс. Функционально графические интерфейсы SCADA -систем похожи. В каждой из них существует графический объектно-ориентированный редактор с определенным набором анимационных функций. Используемая векторная графика дает возможность осуществлять широкий набор операций над выбранным объектом, а также быстро обновлять изображение на экране, используя средства анимации.

Крайне важен также вопрос о поддержке в рассматриваемых системах стандартных функций GUI (Graphic Users Interface),поскольку большинство SCADA -систем работают под управлением Windows, что и определяет тип используемого GUI. GUI - часть Windows, которая обеспечивает поддержку аппаратно-независимой графики.

Система является открытой, если для нее определены и описаны используемые форматы данных и процедурный интерфейс, что позволяет подключить к ней внешние независимо разработанные компоненты.

Современные SCADA -системы не ограничивают выбора аппаратуры нижнего уровня, так как предоставляют большой набор драйверов или серверов ввода-вывода и имеют хорошо развитые средства создания собственных программных модулей или драйверов новых устройств нижнего уровня. Сами драйверы разрабатываются с использованием стандартных языков программирования.

Для организации взаимодействия с контроллерами могут быть использованы следующие аппаратные средства:

· СОМ-порты. В этом случае контроллер или объединенные сетью контроллеры подключаются по протоколам RS-232, RS-422, RS-485.

· Сетевые платы. Использование такой аппаратной поддержки возможно, если соответствующие контроллеры снабжены интерфейсным выходом на Ethernet.

· Вставные платы. В этом случае протокол взаимодействия определяется платой и может быть уникальным. В настоящее время предлагаются реализации в стандартах ISA, PCI, CompactPCI.

Классификация СУ. Классификация АСУТП (по режиму работы, функциональной развитости, информационной мощности, характеру протекания управляемого процесса по времени). PLC-системы.

Системы управления весьма разнообразны, и их целесообразно разбить на классы. Рассмотрим классификацию систем управления по следующим признакам: по режиму работы, функциональной развитости, информационной мощности, характеру протекания управляемого процесса по времени.

В зависимости от степени автоматизации функций управления различают ручное, автоматизированное и автоматическое управление. При ручном управлении все функции процесса выполняются человеком — оператором. Автоматизированным называют процесс управления, в котором часть функций выполняется человеком, другая часть — автоматическими устройствами. При автоматическом управлении все функции выполняются автоматическими устройствами. Соответственно принято различать автоматизированные и автоматические системы управления.

По степени определенности системы управления обычно разбивают на детерминированные и вероятностные (стохастические).

Детерминированной системой называют систему, в которой по ее предыдущему состоянию и некоторой дополнительной информации можно безошибочно (т. е. вполне определенно) предсказать ее последующее состояние.

В вероятностной системе на основе предыдущего состояния и дополнительной информации можно предсказать лишь множество возможных будущих состояний и определить вероятность каждого из них.

Классификация АСУТП.

По характеру протекания АСУТП делятся на непрерывные, периодические и дискретные.

Непрерывным называется такой процесс, в котором конечный продукт вырабатывается до тех пор, пока подводится сырье, энергия, катализаторы, управляющие воздействия. К таким процессам можно отнести, например, процессы переработки нефти.

Периодическим является технологический процесс, в котором за сравнительно небольшой промежуток времени (часы или дни) вырабатывается определенное, ограниченное количество конечного продукта. При этом в течение отведенного промежутка времени периодический процесс является непрерывным. Примером периодического процесса может быть технологический процесс плавки металла в доменной печи.

Дискретным называется технологический процесс, в котором конечный продукт вырабатывается за определенные промежутки времени, и этот процесс можно остановить, а также продолжить с любой технологической операции без снижения заданного уровня качества. Можно назвать такие примеры, как: процесс сборки изделий на конвейере, испытание готовых изделий и т.п.

По функциональной развитости, информационной мощности АСУ ТП делятся на три глобальных класса:

• SCADA (Supervisory Control and Data Acquisition). На русский язык этот термин можно перевести как “система телемеханики”, “система телеметрии” или “ система диспетчерского управления”. Последнее определение точнее всего отражает сущность и предназначение системы - контроль и мониторинг объектов с участием диспетчера. Термин SCADA часто используется в более узком смысле: многие так называют программный пакет визуализации технологического процесса. Однако в данном разделе под словом SCADA мы будем понимать целый класс систем управления.

• PLC (Programmable Logic Controller). На русский язык переводится как “программируемый логический контроллер” (или сокращенно ПЛК).

Под термином ПЛК часто подразумевается аппаратный модуль для реализации алгоритмов автоматизированного управления. Тем не менее, термин ПЛК имеет и более общее значение и часто используется для обозначения целого класса систем.

• DCS (Distributed Control System). По-русски распределенная система управления (РСУ).

PLC-системы. Из самого названия данного класса становится ясно, что основным компонентом системы является программируемый логический контроллер. Системы класса PLC чрезвычайно хороши для управления последовательностью технологических операций в процессе изготовления изделия. Как правило, эти операции носят дискретный характер и требуют очень быстрой реакции со стороны автоматики. Типичным примером применения систем PLC является управление формовочной машиной для изготовления стеклотары или, например, управление аппаратом по наклейке алюминиевых крышек на пластиковые стаканчики с йогуртом. Типовые задачи систем PLC:

•Управление конвейерными производствами;

•Управление робототехникой;

•Высокоскоростное управление приводами,

•Управление позиционирующими устройствами;

•Сигнализация, оповещение;

•Управление комплектными технологическими машинами.

Для систем PLC характерно то, что они не требуют непрерывного контроля со стороны диспетчера, достаточно периодической проверки статуса. Уровень диспетчерского (операторского) управления развит слабо и сводится, как правило, к установке кнопочного пульта управления для запуска/останова того или иного технологического участка и отображения аварийных сигнализаций. Большую часть времени система PLC работает без надзора со стороны человека, т.е. в автоматическом (автономном) режиме. Здесь по сути PLC приближается к САУ.

Структура системы PLC довольно проста. Один или несколько программируемых логических контроллеров, объединенных в сеть с помощью цифровой шины. Обмениваясь по шине данными, контроллеры могут взаимодействовать друг с другом, что необходимо для их согласованной работы. Как уже было упомянуто, при необходимости к системе также можно подключить пульт локального управления (кнопочный или с ЖК-панелью).

У контроллеров есть электрические входа/выхода для подключения к ним полевых датчиков, сенсоров, исполнительных механизмов (клапанов, позиционирующих устройств, различных приводов), устройств оповещения и сигнализации. Количество входов/выходов может быть как фиксировано, так и расширяемо с помощью дополнительно подключаемых модулей. Такие модули называются “модулями ввода/вывода” (IO modules). Контроллер непрерывно выполняет заложенную в него программу управления по следующему циклу: считывание сигналов с датчиков, математическая обработка данных в соответствие с определенным алгоритмом, формирование управляющего воздействия и его передача на исполнительные механизмы. При этом требуется высокое быстродействие – время выполнения всего цикла составляет не более 10-20 мс.

Следующие аспекты характерны для систем класса PLC:

•Высокоскоростное управление дискретными операциями;

•Отказоустойчивость системы управления не критична: в случае останова технологический процесс возобновляется в короткие сроки и с минимальными потерями;

•Практическое отсутствие операторского уровня – высокая степень автономности;

•Быстрая реакция на дискретные события;

•Жесткая временная синхронизация работы нескольких узлов.

Функции АСУ ТП. Техническое, алгоритмическое, программное, информационное и организационное обеспечение СУ.

Функции АСУ ТП подразделяются на:

1. Информационные, содержанием которых является сбор, обработка и представление информации о состоянии автоматизированного технологического комплекса (АТК) оперативному персоналу или передача этой информации в смежные системы управления для последующей обработки.

- сбор, первичная обработка и распределение информации, получаемой от различных источников;

- представление информации на средствах отображения и печатных документах;

- информационно-вычислительные и расчетные;

- архивация информации и т.п.

2. Управляющие, результатом которых являются выработка и реализация управляющих воздействий на ТОУ:

- дистанционное управление;

- автоматическое регулирование и программное управление;

- автоматическое логическое управление и технологические блокировки;

- технологические защиты и защитные блокировки и т.п.

3. Вспомогательные, функции обеспечивающие решение внутрисистемных задач:

- контроль и самодиагностика программных и технических средств ПТК;

- контроль работы функций ПТК и АСУ ТП;

- создание нормативно-справочной информационной базы;

- метрологический контроль и аттестация информационных каналов АСУ ТП;

- другие функции, обеспечиваемые в том числе ПО инструментальных средств разработки, отладки и документирования ПТК и прикладного ПО АСУ ТП.

Техническое обеспечение – комплекс технических средств (КТС) получения информации о состоянии ТОУ, формирования и передачи информации, локального регулирования и управления вычислительной техники, представления информации оперативному персоналу, передачи информации в смежные и вышестоящие АСУ, исполнительные устройства.

Информационное обеспечение (ИО) – единая система классификации и кодирования технологической и технико-экономической информации, справочная и оперативная информация. ИО должно иметь структурную иерархическую организацию.

Программное обеспечение (ПО), состоящее из общего (стандартного) и специального. Общее программное обеспечение – организующие и транслирующие программы, библиотеки стандартных программ и т.д. Специальное программное обеспечение – программы контроля и управления, реализующие функции АСУ ТП.

Требования к стандартному ПО. Для реализации задач РСУ используется программное обеспечение, функционирующее в среде многозадачной операционной системы реального времени (ОС РВ).

Сетевые программные средства, обеспечивающие объединение подсистем управления, операторских станций и средств архивирования данных в единую систему, должны реализовывать загрузку и управление запуском задач, обеспечивать обмен между задачами и базами данных, и предоставлять доступ к периферийным устройствам.

Система управления должна иметь возможность оперативного конфигурирования прикладного программного обеспечения в процессе функционирования АСУТП.

Все ошибочные ситуации, возникающие при работе программ, должны диагностироваться, сопровождаться сообщениями, и не должны вызывать нарушений в работе СУ.

Прикладное программное обеспечение АСУТП должно обеспечить реализацию требуемых алгоритмов контроля, регулирования и защиты, отображения информации, сигнализации и архивирования данных.

Алгоритмы управления должны иметь возможность переконфигурирования, и реализовываться через библиотечные блочные структуры.

Организационное обеспечение – описание функциональной, технической и организационной структур, инструкции и регламенты для оперативного персонала.

Организационное обеспечение должно включать требования по численности и квалификации персонала АСУТП и КИПиА, инструкции по каждому виду деятельности, и точное определение выполняемых функций. Инструкции Организационного обеспечения для технологического персонала должны определять его действия при эксплуатации АСУТП как в нормальном режиме, так и при отказах технических средств.

Контрольные вопросы:

1) Назовите основные этапы развития АСУ.

2) Назовите три класса АСУ ТП по характеру протекания.

3) Назовите функции АСУ ТП.

4) В чем отличие автоматической системы управления от автоматизированной системы управления?

5) Что понимается под техническим обеспечением СУ?

Дата добавления: 2014-01-20