Ієрархічна структура, системи управління виробничим процесом

Лекція 3 Види АСУТП і їх структури.

Устаткування для виміру потужності

Реальну потужність можна вимірювати з використанням перетворювачів потужності. Прилади, що вимірюють потужність протягом визначеного часу, називаються лічильниками електричної енергії. Вони надають дані про реальну потужність і усувають помилку в сприйнятті або ігноруванні коефіцієнт потужності і зміні в навантаженні протягом тривалого періоду часу.

Лічильники поділяються на індукційні, або електромеханічні (вартістю $50-150), і електронні ($200-4500) Є моделі для одно- і трифазної мережі.

Як правило, усі лічильники мають імпульсний вихід, на якому число імпульсів пропорційно кількості минулої через лічильник енергії (на ринку маються універсальні перетворювачі оборотів диска індукційного лічильника в послідовність імпульсів,, що інтегруються легко в моделі лічильників без імпульсного виходу). Якщо лічильник вимірює активну і реактивну енергію в двох напрямках, то в нього повинно бути 4 імпульсних виходи або каналу обліку.

Електронні лічильники крім виміру енергії можуть здійснювати додаткові функції, наприклад, збереження профілю навантаження, облік по тарифних зонах, фіксацію значень струму, напруги й ін. Варто пам'ятати, що додатковий сервіс, реалізований апаратно в самому лічильнику, значно збільшує його вартість Як правило, в електронних лічильниках підтримується послідовний інтерфейс (RS-485, М-Bus, Ик-интерфейс, токова петля, модем), по якому за допомогою зовнішньої програми можна одержати доступ до усіх вимірюваним і параметрів, що обчислюються.

Установлені на підприємстві лічильники збираються в групи (як правило, від 4 до 64 каналів обліку) і підключаються до пристрою обліку, що розраховує значення енергії і потужності на основі кількості прийнятих імпульсів і їхньої ваги. Ці дані в реальному часі розносяться по відповідних тарифних зонах і накопичуються за визначений період При цьому розраховуються додаткові параметри, використовувані для наступного аналізу енергозабезпечення. Пристрій обліку, у свою чергу взаємодіє із системою збору й обробки даних в офісі споживача.

На першій сходинці вирішується задача стабілізації або зміни по відповідному закону режимних параметрів окремих апаратів ТП та автоматики – системи автоматичного регулювання САР або САУ.

На другому ступені розв'язуються такі задачі, як первинна переробка інформації, розподіл навантажень між апаратами або агрегатами технологічного процесу, вибір і підтримка відповідно використовуваним технологічним і техніко-економічним критеріям оптимального режиму керованого процесу і розрахунок його техніко-економічних показників, видача управляючих команд АСР першого ступеня управління.

На третьому ступені управління розв’язуються в основному задачі економічного характеру. До них відносяться такі, як складання виробничих планів підприємства, його матеріально-технічне забезпечення, оперативне управління виробництвом, облік готової продукції і її збут, розподіл і використовування фінансових ресурсів, складання звітної документації і багато інших.

Структура, в загальному розумінні, це стійка єдність відношень і елементів в системі.

Структура системи – це відносно постійний порядок внутрішніх просторово-часових зв’язків між окремими елементами системи і їх взаємодія із зовнішнім середовищем, що визначається функціональним призначенням системи.

Під структурою управління розуміється сукупність частин автоматизованої системи, на які вона може бути поділена за певними ознаками, а також передачі (зв’язки) дій між ними.

Структура автоматизованої системи управління технологічними об’єктами визначається (характеризується):

· кількістю елементів, що утворюють систему;

· кількістю зв’язків між елементами та їх характером (а саме – напрямки зв’язків, час обміну інформацією, способи взаємодії між елементами при передачі інформації);

· кількістю функцій, які виконуються елементами;

· ступенем впливу функцій, які виконуються елементами на функції усієї системи;

· кількістю і характером взаємодії підсистем.

В кожній функціональній системі постійно відбувається інформаційний та енергетичний обмін між елементами і підсистемами. Цей обмін є формою функціонування (існування) системи. Але основою, на якій будується функціонування системи є її структура.

Графічне зображення структури управління називається структурною схемою.

Структурна схема системи визначається, як граф, що представляє певний (що нас цікавить) аспект цієї системи.

За видом опису різних сторін системи та способів діяльності можна виділити такі види структурних схем (структур):

· організаційна;

· фізична;

· логічна;

· функціональна;

· семантична і інші.

Всі види структур в першу чергу визначають внутрішні і зовнішні зв’язки системи, що розглядаються в різних аспектах. Найбільш загальним поняттям, що визначає ці зв’язки, а збід і структури, є топологія системи.

Виділяють шість видів топологій внутрішніх зв’язків: радіальна, деревовидна, магістральна, матрична, ітеративна і симетрична (рис.).

Визначимо види структурних схем { }.

1. Організаційна структура (структурна схема) рис. 3.1. відображує ієрархію підпорядкованості її елементів. При цьому різним елементам, відображеним в організаційній структурі предписані різні конкретні цілі.

2. Фізична структура (структурна схема) являє собою граф, що описує (відображує) фізичне з’єднання елементів системи – пристроїв управління, контролю, обчислювальної техніки) фізичним способом (з’єднання дротом, світловодом, механічно) з’єднаних між собою. Фізична структурна схема наведена на рис. 3.2. Будь-якій фізичній структурі може відповідати різний ступінь деталізації і глибина висвітлення системи. Найбільш подробні фізичні структурні схеми називають монтажними схемами системи. Основна особливість фізичних структур – їх статичність, тобто вона є незмінною на протязі всього часу свого існування (функціонування). Для аналізу принципів дії системи в часі в залежності від різних зовнішніх та внутрішніх умов (тобто умов її функціонування) служать логічні і функціональні структурні схеми.

3. Основна різниця між логічною і фізичною структурами полягає в тому, що фізична структура відображує повну схему комутації, а логічна структура відображує конкретну схему з’єднань, яка виникає в момент часу, що вивчається. В зв’язку з цим логічні схеми динамічні за своєю сутністю, а елементи графа логічної структури відрізняються від фізичної – своєю повнотою і топологією. Логічна структура (структурна схема) визначається як засіб опису логічних зв’язків системи, що існують між логічними блоками. (рис. 3.3.)

4. Функціональна структура (структурна схема) описує порядок з’єднання логічних елементів системи, який відповідає конкретному розподілу між ними заданого функціонального навантаження (рис. 3.4.).

5. Застосування обчислювальної техніки (ЦОМ, ЦУМ) в АСУТП привело до появи нового типу структурної схеми – семантичної структури системи. Семантичними елементами системи називаються функціональні елементи, що реалізовані у вигляді засобів програмного забезпечення, призначених для виконання задач системи (підсистеми). Граф, що відображує взаємодію семантичних елементів, називають семантичною структурою (рис. 3.5.).

6. Топологічні структурні схеми.

3.2 Структура інформаційних систем АСУТП.

До інформаційних автоматизованих систем управління технологічними об’єктами (процеси, агрегати) відносяться такі людино-машинні системи, які виконують операції по збиранню і зберіганню і відображенню даних, що надходять як від безпосередньо від датчиків, контролюючих стан технологічного обладнання і хід технологічного процесу, а також від оперативного складу (операторів, що знімають певні показники з вимірювальних приборів). Слід розрізняти інформаційні автоматизовані системи (ІАС) і інформаційні частини АСУ. Перші являють собою локальні системи управління, що автоматизують обробку даних і є першим ступенем АСУ що працюють в режимі “порадника”, другі складають частину (підсистему) складної АСТП.

Друга підгрупа інформаційно-управляючі системи відноситься до типу АСУТП, що виконують тільки інформаційні функції комплексу, і реалізують управляючі дії на основі локальних систем автоматичного управління, дистанційного операторного управління, логіко-програмного управління окремими операціями при здійсненні комплексного контролю за усіма складовими процесу і станом обладнання.

Основні функції цих систем управління такі:

- контроль параметрів технологічного процесу;

- стабілізація параметрів технологічного процесу на заданому рівні, що визначається регламентом виробництва і контроль за ними;

- програмне управління (включаючи пуск і зупинку процесу);

- захист обладнання від аварійних ситуацій;

- оперативний зв’язок з вищими ступенями управління.

Задачі аналізу інформації, формування і прийняття управляючих рішень і здійснення управляючих дій покладаються на оператора.

Контроль стану вимірювальних трактів, обробка результатів вимірювання і обраховування параметрів технологічних операцій і перетворення отриманих результатів до виду, зручного для подальшого використання операторами, оформлення необхідної документації (інформаційної) – основні функції інформаційних систем при відсутності функцій автоматизованого управління. При покладені на автоматизовану систему функцій управління – останню виконують оператори.

Математичне забезпечення інформаційних систем містить засоби роботи з масивами, проблемно-орієнтовані мови взаємодії статистичного аналізу даних і числових методів рішення задач обробки даних.

Схема фізичної структури інформаційної АС подана на рис. 3.6, а функціональна структурна схема на рис. 3.7.

3.3 Структура АСУТП, що функціонує без обчислювального комплексу.

Системи цього типу мають тісний безпосередній зв’язок з технологічним об’єктом управління. В системах цього типу вся інформація про стан об’єкту подається в таку систему автоматично від да??? (первинні перетворювачі), а управляючі дії подаються від неї безпосередньо на регулюючі органи.

До складу такої системи (ни???? рівня управління) входять вимірювальні, логічні, регулюючі і інші аналогові цифрові пристрої. Крім того в розпорядженні оператора знаходяться регіструючі пристрої (само???чі прилади), що дозволяють розвантажити його від виконання багатьох одноманітних дій. Оператор і підвладні йому технічні засоби складають єдину автоматизовану систему управління об’єктом. Структурна схема АСУТП показана на рис. 3.8.

Основні функціонально-апаратні частини (підсистеми АСУ)

Підсистема дистанційного управління – призначена для передачі дій оператора на виконавці механізми, що віддалені від центрального пульта (поста) управління (ЦПУ).

Підсистема автоматичного регулювання – призначена для попередження виникнення і розвитку аварійних ситуацій при виході з ладу окремих пристроїв і відмов і некоректних дій систем регулювання. Ця підсистема, як правило виконується незалежною і має власні первинні пристрої і виконавці елементи.

Підсистема сигналізації – інформує оператора про перевищення параметрів крайових значень.

Підсистема індивідуального контролю – призначена для контролю найважливіших технологічних параметрів. Регіструючі (самописні) прилади допомагають спостерігати тенденції змінення показників контрольованої величини і визначати тренд і прогноз розвитку процесу.

Підсистема вимірів за викликом застосовується при необхідності спостережень невеликої кількості другорядних допоміжних параметрів. Вони виконуються оператором за допомогою одного приладу підключеного через комутатор.

Підсистема масового контролю – призначена для перевірки поточних значень великої кількості однотипних допоміжних показників з малою ймовірністю їх відхилення від норми. Використовуються багатоканальні вимірювальні системи.

Задачі оптимізації в АСУТП описаного типу вирішуються за допомогою автономних спеціалізованих засобів, або в розрахунковому ОЦ.

3.4 Структура АСУТП з обчислювальним комплексом, що виконує інформаційні функції.

В системі даного типу, обчислювальний комплекс (ЕОМ) виконує функції централізованого контролю, обрахування комплексних технічних і техніко-економічних показників, а також контроль роботи і стану обладнання.

Обчислювальний комплекс отримує всю необхідну інформацію про стан об’єкта, в тому числі і про величини, які регулюються і управляються.

Задачі аналізу інформації, прийняття рішень і здійснення управляючих дій виконуються оператором.

Інформаційні дані оброблені ОК передаються до вищого ступеню

АСУ, використовуються безпосередньо в АС для накопичення інформації, побудови прогностичної моделі процесу і корегування параметрів його реалізації.

Фізична і функціональні структури такої системи автоматизованого управління показана на рис. 3.9 і рис. 3.10.

3.5 Структура АСУТП, що функціонує в режимі “порадник”.

До типу АСУТП (систем оптимального управління) що виконують управляючі функції в режимі “порадник” відносяться системи в яких крім функцій збирання і обробки інформації про стан технологічного процесу необхідно вирішувати задачі пошуку оптимальних рішень і видачі рекомендацій по управлінню оператору-технологу, які містять перелік команд по підтриманню оптимального режиму технологічного процесу остаточний вибір і здійснення управляючих дій залишаються за оператором.

Особливістю таких систем є можливість оптимізації параметрів і показників технологічного процесу: - тобто здійснювати управління процесом таким чином, щоб задані параметри або їх функції приймали екстремальні значення.

Оптимальне управління може здійснюватись як із зворотним зв’язком так і без нього. В останньому випадку в пам’ять ЕОМ вводять фізичну модель технологічного процесу, на яку подаються такі управляючі дії як і на реальній фізично існуючий (реалізуємий) процес. ЕОМ аналізує поведінку моделі технологічного процесу і здійснює відповідне оптимальне управління як моделлю???? так і процесом. Саме оптимальне управління здійснює оперативний персонал. Рішення приймається на основі обчислювання на моделі дій, необхідних для наближення процесу до оптимуму і результати представляються оператору, який управляє процесом змінюючи уставки регуляторів, або виконуючі інші дії у відповідності до рекомендацій, виробленими ОК (обчислювальним комплексом).

Регулятори в АС даного типу є засобами не тільки стабілізації, але і програмного змінення технологічних параметрів процесу, а оператор виконує роль слідкуючої і корегуючої ланки.

Кількість змінних параметрів в АС, що працює в режимі порадника, як правило, знаходиться в межах 10...100. при збільшенні кількості контролюємих і змінюємих показників оператор не в змозі виконувати коригування 100 уставок по 10 разів у хвилину (виставити і проконтролювати уставку регулятора треба за 3 – 5 секунд).

Можливі два режими роботи системи оптимального управління в режимі “порадник”. Перший режим роботи в реальному масштабі часу. В цьому випадку обробка і видача команд і рекомендацій виконується синхронно з технологічним процесом, із затримкою у часі, що необхідна тільки для обробки інформації в темпі роботи технологічного обладнання. При цьому??????? передається до засобів відтворення інформації одразу після опитування давачів (робота АСУ без “пам’яті”).

Другий режим роботи пов’язаний із затримкою у видачі рішень (рекомендацій) на певний проміжок часу, достатній для накопичення інформації, необхідної для прийняття рішення про зміну управляючого впливання????. Достатньо повна статистична обробка інформації проводиться тільки після накопичення необхідного масиву статистичних даних.

На рис. 3.11. показана фізична структурна схема системи управління (оптимального) в режимі “порадник”, а на рис.3.12 приклад функціональної структури.

3.6 структура АСУТП за замкнутим контуром управління (супервізорне управління).

Подальшим розвитком систем оптимального управління з використання ОК в контурі управління є системи з замкнутим контуром.

До АСУТП з замкнутим контуром управління відносяться системи з обчислювальним комплексом який виконує функції центрального управляючого пристрою. Характерною особливістю таких систем управління є включення ОК в замкнутий контур автоматичного управління і виробляє управляючі дії, які подаються як сигнали завдань безпосередньо на вхід к системам автоматичного регулювання (САР).

Основна задача супервізорного управління – автоматичне проведення технологічного процесу поблизу оптимальної робочої точки шляхом оперативного впливу на нього. В цьому головна перевага даного типу систем.

Система супервізорного управління відрізняється від системи (“порадник”), в якій знайдені нові значення уставок??????? перетворюється у форму зручну для аналізу оператором, тим що при супервізорному управлінні вони перетворюються у сигнали які можуть змінювати завдання і настройки регуляторів. Наприклад, якщо регулятори сприймають сигнали які можуть змінювати завдання і настройки регуляторів. Наприклад, якщо регулятори сприймають сигнали у вигляді напруги, то управляючі??????, що виробляються в ОК також перетворені напругу відповідного рівня і знака. І оскільки в таких системах контур управління замкнутий через ОК, то функції оператора зведені до загального нагляду за ходом процесу, і вносити корективи тільки у аварійних ситуаціях або при зміні вихідних показників процесу, наприклад зміні сировини, складу продукції, тощо.

Існує багато методів оптимального управління і відповідно різні структурні схеми реалізації АС, що здійснюють оптимальне управління з замкнутим контуром. За допомогою математичної моделі. Можливі два напрямки створення математичної моделі фізичного процесу: в середині системи управління і за її межами. Можливі і комбінації коли основні співвідношення виводяться зовні системи, а уточнення цих співвідношень в самій системі. При створенні моделі поза системою її закладають у вигляді алгоритмів і програм в УОМ або інші блоки управління (УОМ). Створення математичної роботи в самій АСУ має місце в системах з “навчанням” і можливістю планування експериментів в технологічному процесі і системі його управління.

3.7 Структура АСУТП з обчислювальним комплексом, що виконує функції безпосереднього цифрового управління.

До АСУТП з прямим цифровим управлінням (БЦУ) відносяться системи в яких ОК здійснює не тільки пошук, обробку, зберігання інформації та оптимізацію режимів, але і безпосереднє управління об’єктами. При цьому сигнали, що використовують для приведення в дію виконавчих механізмів, поступають безпосередньо від ОК і відповідні регулятори можуть бути виключені з системи (або використовуються як резерв).

В системах з безпосереднім цифровим управлінням програма функціонування технологічного об’єкту і режими технологічних процесів задаються УОМ, безпосередньо з’єднаної з об’єктами управління.

Концепція БЦУ дозволяє замінити сукупність регуляторів з задаваємими їм уставками на обчислювальний комплекс. Замість розрахунків уставок, що забезпечують оптимальний режим роботи (як при супервізорному управлінні), ОК розраховує задані (яких потребують) значення управляючих дій і передає відповідні сигнали безпосередньо на виконавчий механізми регулюючих органів. Це виконується для кожного контуру управління. Кількість контурів може складати від 10 до 100 і більше в залежності від характеру процесу і потужності ОК.

Розглянемо принцип дії АСУТП з ОК що функціонує в режимі БЦУ.

Адаптивні системи управління технологічними процесами.

Адаптивні системи управління Т. П. – такі системи, в яких при використанні поточної інформації про вихідні величини, зовнішні впливи і умови роботи системи змінюється структура, параметри регулятора або вводяться додаткові зворотні зв’язки по вихідних величинах з метою забезпечення оптимального або заданого функціонування управляємої системи при зміні умов її роботи.

Адаптація параметрів регулятора здійснюється на основі координатної похибки, що являє собою різницю вихідних сигналів основного контуру та еталонної моделі.

Задачею адаптивного регулятора є формування реакції основного контуру управління на вимірювальний зовнішній сигнал яка повинна бути максимально близькою до реакції еталонної моделі???????????????????????????????

Адаптивні системи з ідентифікатором (АСІ) – клас систем управління складними об’єктами із змінюючимися характеристиками. Принцип дії АСІ полягає в управлінні за збуренням на основі прогнозу вихідних характеристик об’єкта, що отримуються за допомогою регулярно-оновлюємої моделі в ланцюгу зворотного зв’язку.

Розміщення ідентифікатора у ланцюгу зворотного зв’язку АСУТП

Для технологічних процесів (ТОУ) в яких з часом (старіння) змінюються характеристики (сировини, вологість зерна, хімічний склад, методів управління), що приводить до зміни характеристик ТОУ необхідне використання моделі об’єкта для управління за збуренням на основі прогнозу вихідних змінних за врахованими вхідними змінними.

Для таких об’єктів необхідна можливість уточнення моделі в умовах функціонування об’єкту. Ця вимога приводить до необхідності мати в ланцюгу зворотного зв’язку системи управління структурний елемент, вирішуючий задачу ідентифікації, тобто побудови і уточнення моделі ТОУ. Конструктивно цей елемент – (ідентифікатор) може бути виділеним у УОМ програмно, реалізований в окремому універсальному або спеціальному обчислювальному пристрої і т. п.

Принцип роботи АСУ ілюструється схемою (рис.). Система працює в двох режимах: 1 – тільки навчання; 2 – навчання та управління. Самонавчання здійснюється в ідентифікаторі. Вихідною інформацією для ідентифікації є вхідні і вихідні змінні об’єкту, результати вимірювання яких датчиками вводяться в ідентифікатор безперервно або дискретно.

Дата добавления: 2014-01-11