I.I. Системы управления технологическими процессами

Введение

Современные системы автоматизации в строительной индустрии, как правило являются сложными системами. Основным признаком сложности системы является иерархическая организация её подсистем.

Задачи проектирования иерархических систем во многом зависят от признаков, которые положены в основу при подразделении сложной системы на соответствующие уровни. В сфере промышленного производства для настоящего времени практический интерес представляют системы управления трёх классов: локальные системы контроля, регулирования и управления; централизованные системы контроля, регулирования и автоматизированные системы управления технологическими процессами.

Качество процессов управления, надёжность и живучесть, безопасность и ремонтопригодность ,снижение затрат на монтаж и пуск, возможность адаптации к изменяющимся свойствам объекта автоматизации, улучшение условий работы оператора и.т.д.- всё это в основном зависит как от используемых технических средств, так и качества проекта технического обеспечения систем автоматизации.

Полную информацию о составе, форме и содержании проекта, можно получить только в специальной справочной литературе. Цель данного пособия – дать необходимую подготовку студенту специальности «Технология строительных материалов», не имеющему навыков со специальной литературой, и оказать практическую помощь при выполнении дипломного проекта.

I. Основные сведения о системах управления технологическими процессами и этапах их создания

I.I. Системы управления технологическими процессами

В сфере промышленного производства для настоящего времени практический интерес представляют системы управления трех классов: локальные системы контроля, регулирования и управления, централизованные системы контроля, регулирования и управления и АСУТП (автоматизированные системы управления технологическими процессами).

Локальные системы контроля, регулирования и управления

(рис.I.I) эффективны при автоматизации технологически независимых объектов с компактным расположением основного оборудования и несложными целями управления (стабилизация, программное управление) при хорошо отработанной технологии и стационарных условиях эксплуатации.

Рис.I.I. Типовая структура локальной системы контроля,

регулирования и управления

Локальные регуляторы могут быть аналоговыми, цифровыми, одно- и многоканальными. Наличие человека-оператора в системе позволяет использовать эту структуру на объектах с невысоким уровнем механизации и надежности технологического оборудования, осуществлять общий контроль за ходом технологического процесса и ручное управление. Структура локальных систем контроля, регулирования и управления соответствует классической структуре систем управления: содержит датчики измеряемых переменных (Д) на выходе технологического объекта управления (ТОУ), автоматические регуляторы, исполнительные устройства (ИУ), передающие команды управления (в том числе и от оператора в режиме ручного управления) на регулирующие органы ТОУ. Устройство связи с оператором состоит, как правило, из измерительных, сигнализирующих и регистрирующих приборов.

Централизованные системы контроля, регулирования и управления. Автоматические или автоматизированные системы централизованного контроля, регулирования и управления предназначены для сбора и обработки данных об объекте управления и выработки на основе их анализа в соответствии с целями системы управляющих воздействий. Появление этого класса систем управления связано с увеличением числа контролируемых и регулируемых параметров, с территориальной рассредоточенностью ТОУ. Структура системы централизованного контроля, регулирования и управления изображена на рис.I.2.

Рис.I.2. Типовая структура системы централизованного контроля,

регулирования и управления

Для данной структуры характерны дистанционный контроль, регулирование и управление, что позволило территориально отделить наблюдение и управление за технологическим процессом от ТОУ. Наряду с этим изменился и состав функций: кроме функций, свойственных локальным системам, появились функции дистанционного управления (ДУ), логико-командного управления (ЛКУ). В централизованных системах появляются пульт управления и контроля со средствами представления измерительной (от датчиков Д, вторичных приборов ВП и командной информации от задающих устройств ЗУ, исполнительных устройств ИУ и механизмов ИМ), в виде мнемосхем, цифровых табло, приборов сигнализации, вызывного контроля , регистрации.

Первоначально в централизованных системах на центральном пульте управления концентрировались одноточечные измерительные и регистрирующие приборы и одноканальные регуляторы. В дальнейшем для сокращения числа необходимого оборудования и уменьшения эксплуатационных расходов в централизованных системах контроля, регулирования и управления стали применять многоканальные средства контроля и регулирования. В многоканальных системах контроля и управления (рис.I.3) некоторые функциональные устройства являются общими для всех каналов системы и с помощью коммутаторов и распределителей каналов (КК, РК) подключаются к индивидуальным устройствам канала, образуя замкнутый контур управления. В системах управления технологическими процессами, как правило, используют многоканальные вторичные преобразователи (МВП), автоматические контрольно-измерительные и регистрирующие приборы (МКИП), многоканальные регулирующие устройства (МРУ), многоканальные устройства логико-командного управления (МЛКУ).

Рис.I.3. Типовая структура системы централизованного контроля,

регулирования и управления с многоканальными

средствами контроля и регулирования

Функции оператора-технолога (ЛПР) остаются прежними: оценка функционирования системы централизованного контроля, регулирования и управления и формирование оптимального управления путем изменения уставок в ЗУ.

Автоматизированные системы управления технологическими процессами. Развитие экономико-математических методов управления с широким использованием современной вычислительной техники позволило существенно облегчить работу оператора при управлении сложными технологическими объектами. В результате появились человеко-машинные системы управления технологическими процессами, в которых обработка информации и формирование оптимальных управляющих воздействий осуществляются человеком с помощью управляющей вычислительной машины (УВМ). УВМ в этом случае является многоканальным информационно-управляющим устройством в системе автоматизированного управления технологическим процессом. 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 нашли три принципа построения АСУ ТП: централизованные АСУ ТП с прямым цифровым управлением; централизованные АСУ ТП с супервизорным режимом работы УВМ и децентрализованные распределенные АСУ ТП.

Главный недостаток систем с прямым цифровым управлением заключается в том, что при отказе в работе УВМ объект теряет управление. Более широкими возможностями и лучшей надежностью обладают АСУ ТП, в которых непосредственное регулирование объектами технологического процесса осуществляют локальные регуляторы, а УВМ выполняет функции «советчика» в так называемом супервизорном режиме. Типовые структуры системы с прямым цифровым управлением от УВМ и АСУ ТП с супервизорным режимом работы УВМ представлены на рис.I.4 и I.5 соответственно

Рис.I.4. Типовая структура системы с прямым цифровы

управлением от УВМ

.

м

Рис.I.5. Типовая структура АСУ ТП с супервизорным режимом

работы УВМ

В системах с прямым цифровым управлением часть функций регулирования и логико-командного управления выполняют локальные средства контроля, регулирования и управления (ЛР и ЛКУ), а остальную часть их выполняет УВМ в режиме прямого цифрового управления. Сигналы от источника информации - датчиков (Д), вторичных преобразователей (ВП) – через распределитель каналов (РК) поступают на входы устройства ввода (УВв) и оттуда в цифровой форме вводится в УВМ. Через другое устройство ввода в УВМ поступают сигналы задания из центрального пульта через коммутатор каналов (КК). В УВМ формируются управляющие воздействия на регулирующие органы ТОУ (через РК к ИУ или ИМ), определяются оптимальные настройки для локальных регуляторов, вырабатываются данные и команды для визуализации технологической информации, передаваемые от УВМ через устройства вывода (УВыв) и коммутатор каналов (КК).

В АСУ ТП с прямым цифровым управлением оператор должен иметь возможность изменять уставки, контролировать избранные переменные, варьировать диапазоны допустимого изменения переменных, изменять параметры настройки и иметь доступ к управляющей программе. Для обеспечения этих функций необходимо иметь сопряжение (человек – машина) в виде пульта оператора и средств отображения информации.

Применение УВМ в режиме прямого цифрового управления позволяет строить программным путем системы регулирования по возмущению, комбинированные системы регулирования каскадного и многосвязного регулирования, учитывающие связи между отдельными частями объекта управления. Прямое цифровое управление позволяет также реализовать не только оптимизирующие функции, но и адаптацию к изменению внешней среды и переменным параметрам объекта. В системах с прямым цифровым управлением упрощается реализация режимов пуска и остановки процессов, переключение с ручного управления на автоматическое, операции переключения исполнительных механизмов основного и вспомогательного оборудования.

Основная задача супервизорного управления – автоматическое поддержание процесса вблизи оптимальной рабочей точки. Кроме того, супервизорное управление позволяет оператору – технологу использовать плохо формализуемую информацию о ходе технологического процесса, вводя через УВМ коррекцию установок, параметров алгоритмов регулирования в локальные контуры. Например, оператор вводит необходимые изменения в управление процессом при изменении сырья и состава вырабатываемой продукции. Это требует определения новых значений коэффициентов уравнений математической модели объекта управления, что может выполняться любой другой внешней ЭВМ или самой УВМ, если она не загружена.

Работа информационно-измерительной части системы супервизорного управления практически не отличается от рассмотренной выше системы. Функция оператора в этом случае сводится лишь к наблюдению, а его вмешательство необходимо только в аварийных ситуациях.

Достоинство системы супервизорного управления состоит в том, что УВМ в ней не только автоматически контролирует процесс, но и автоматически управляет им вблизи оптимальной рабочей точки. Рассматриваемая система управления технологическим процессом является многоканальной как в информационной части, так и на уровне оптимизации.

Развитие АСУ ТП на современном этапе связано с широким использованием для управления микропроцессоров и микроЭВМ, стоимость которых с каждым годом становится все более низкой по сравнению с общими затратами на создание систем управления. До появления микропроцессоров эволюция систем управления технологическими процессами сопровождалась увеличением степени централизации. Однако возможности централизованных систем теперь уже оказываются ограниченными и не отвечают современным требованиям по надежности, гибкости, стоимости систем связи и программного обеспечения. Переход от централизованных систем управления к децентрализованным вызван также возрастанием мощности отдельных технологических агрегатов, их усложнением, повышением требований по быстродействию и точности к их работе. Централизация систем управления экономически оправдана при сравнительно небольшой информационной мощности (число каналов контроля и регулирования) ТОУ и его территориальной сосредоточенности. При большом числе каналов контроля, регулирования и управления, большой длине линий связи в АСУ ТП децентрализация структуры системы управления становится принципиальным методом повышения живучести АСУ ТП, снижения стоимости и эксплуатационных расходов.

Наиболее перспективным направлением децентрализации АСУТП следует признать автоматизированное управление процессами с распределенной архитектурой, базирующееся на функционально-целевой и топологической децентрализации объекта управления.

Функционально-целевая децентрализация – это разделение сложного процесса или системы на меньшие части – подпроцессы или подсистемы по функциональному признаку, имеющие самостоятельные цели функционирования.

Топологическая децентрализация означает возможность территориального разделения процесса на функционально-целевые подпроцессы. При оптимальной технологической децентрализации число подсистем распределенной АСУ ТП выбирается так, чтобы минимизировать суммарную длину линий связи, образующих вместе с локальными подсистемами управления сетевую структуру.

Технической основой современных распределительных систем управления, обусловившей возможность реализации таких систем, являются микропроцессоры и микропроцессорные системы.