Основные понятия и определения, связанные с управлением производственными процессами: автоматизация, управление производственным процессом, системы управления, технологический объект управления

Работа добавлена:






Основные понятия и определения, связанные с управлением производственными процессами: автоматизация, управление производственным процессом, системы управления, технологический объект управления на http://mirrorref.ru

1. Основные понятия и определения, связанные с управлением производственными процессами: автоматизация, управление производственным процессом, системы управления, технологический объект управления. Классификация систем управления технологическими процессами. Структуры и функции систем управления.

Автоматизация производства – это этап машинного производства, характеризуемый освобождением человека от непосредственного выполнения функций управления производственным процессом и передачей этих функций автоматическим устройствам.

Управление производственным процессом подразумевает целенаправленное воздействие на этот процесс, обеспечивающее оптимальный или заданный режим его работы.Процесс управления складывается из следующих операций: 1) получение информации о фактическом состоянии управляемого технологического процесса (информационный аспект задачи управления); 2) обработка и анализ информации с целью определения необходимого воздействия (алгоритмический аспект задачи управления); 3) осуществление принятого решения, т.е. непосредственное воздействие на процесс (энергетический аспект задачи управления).

Совокупность технологического оборудования и реализованного на нем по соответствующим инструкциям (регламентам) технологического процесса производства целевого продукта образуют понятиетехнологического объекта управления (ТОУ).

Система управления (СУ)– совокупность средств, используемых для управления и персонал, принимающий непосредственное участие в управлении вместе с ТОУ.

Выделяют следующие виды систем управления:

- ручного управления (функции управления выполняет оператор, дистанционное управление);

- автоматического контроля и ручного дистанционного управления (автоматизации подвергаются функции сбора информации);

- частичной автоматизации;

- комплексной автоматизации (кроме обеспечения режима нормальной эксплуатации, реализуются функции и процедуры пуска, останова, аварийного отключения ТОУ);

- полной автоматизации.

Автоматизация с помощью локальных АСР. Характерная особенность таких систем: применение простых алгоритмов управления технологическим процессом в режиме нормальной эксплуатации, наличие местных щитов с регуляторами приборного типа.

В локальных системах информация передается в форме сигнала, который не подвергается процедуре унификации. Такой сигнал не тиражируется, плохо защищен от помех.

Структура комплекса технических средств системы централизованного контроля и регулирования (системы комплексной автоматизации) Принципиальная особенность структуры: наличие унифицированного сигнала как основного средства передачи и преобразования информации в системе.

Развитие современных АСУТП основано на применении децентрализованной структуры. РСУ характ-ся тем, что обработка информации в них происходит там, где эта информация возникает –принцип параллельной обработки информации. Вых. инф-я – в цифровой форме.

В РСУ кроме техн. средств, характерных для АСУТП, появились ряд принципиально новых для СА устройств: магистраль передачи данных МПД, операторная станция ОС, локальная технологическая станция ЛТС, координирующая технологическая станция КТС.

МПД – магистраль передачи данных;

ТСПД – терминальная сеть передачи данных;

АС – адаптер связи (сетевая плата);

Пр. – процессорные устройства;

ЛТС – локальная технологическая станция;

ОС – операторная станция;

КС – координирующая станция;

ДС – дисплейная станция;

ПУ – периферийное устройство;

БУ – блок управления (функциональная клавиатура).

2. Характеристика производственного предприятия и производственного процесса как объекта управления (основные производственно-хозяйственные функции и элементы производственного процесса, классификация производственных процессов, типовые структуры технологических схем, понятие технологического режима).

Основными производственно – хозяйственными функциями являются: производство готовой продукции (сосредоточено в специальных подразделениях, совокупность которых принято называтьосновным производством предприятия), вспомогательного оборудования (осуществляется в цехахвспомогательного производства), инвентаря, инструментов и выполнение ремонтных работ; техническая подготовка производства; материально – техническое обеспечение; организационно – трудовая подготовка производства; финансово – бухгалтерская деятельность; реализация готовой продукции.

Технологическая операция – это любое механическое или физическое воздействие на материалы или преобразование одних материалов в другие.

Технологический процесс – это связная совокупность технологических операций, осуществляемых на определенном технологическом оборудовании. Результатом технологического процесса является полуфабрикат или готовое изделие.

Производственный процесс – связанная материальными потоками совокупность технологических процессов, осуществляемых для производства конечного продукта.

Различают три типа технологических процессов (производств): непрерывные, дискретные и дискретно-непрерывные.

Кнепрерывным относятся химические, нефтеперерабатывающие процессы, процессы производства энергии, проката стального листа и др. Для непрерывных процессов характерно использование специализированных установок или агрегатов (ректификационные колонны, котельные агрегаты и др.). Поступление сырья на вход, обработка и выход продукта происходят практически постоянно в течение работы установки. Параметры, которыми характеризуются эти процессы, как правило, непрерывные величины: температура, давление, расход вещества или энергии и т. п.

Дискретные процессы характеризуются тем, что обрабатываемые продукты подаются на вход и выдаются на выходе отдельными порциями. Обработка входных продуктов представляет собой циклическую последовательность технологических операций.

Дискретно-непрерывный процесс сочетает свойства двух описанных выше типов процессов – дискретного и непрерывного. Поступление продуктов на вход установки и их выгрузка производятся отдельными порциями, как в дискретном процессе. Примерами могут служить процессы периодической ректификации, доменное производство.

Структурно производственный процесс описывают через отношения между составляющими его технологическими элементами. Отношения между элементами описываюттехнологической схемой, представляющей собой логически упорядоченный набор технологических элементов. Технологическую схему представляют в виде С-графа, вершины которого обозначают технологические элементы, а дуги - материальные потоки продуктов, выпускаемых одним и потребляемых другим технологическим элементом.

Объединение всех технологических процессов производства конечных продуктов на предприятии принято называтьтехнологией производства. Структуры технологических схем различных производственных процессов весьма разнообразны, но различают несколько типовых структур (или фрагментов структур).

Последовательная структура, где в каждом элементе выпускается и потребляется лишь один продукт. Такая структура характерна для непрерывных производств и поточных линий.

Сходящаяся структура, где в каждом технологическом элементе выпускается только один продукт, но потребляться могут несколько.

Расходящаяся структура, где в каждом технологическом элементе потребляется один продукт, а производится несколько. Структура такого типа часто применяется в процессах непрерывного производства (нефтехимия).

Структура с реверсом (рецикл), где продукты, выпускаемые в последующих технологических элементах, частично потребляются в предыдущих.

Совокупность параметров всех технологических операций производственного процесса, значение которых определено из условия получения конечного продукта заданного качества, называюттехнологическим режимом.

3. Производственное предприятие как система управления. Декомпозиция задачи управления предприятием. Уровни иерархии системы управления предприятием. Функции планирования управления.

Производственное предприятие как система управления состоит из управляющей и управляемой подсистем, связанных между собой каналами передачи информации и образующими вместе единое целое. Управляемую подсистему (объект управления) условно рассматривают как преобразователь ресурсов, на вход которого поступают сырье, материалы, полуфабрикаты, рабочая сила и т.п., а выход представляет собой поток готовых изделий.

Декомпозициейназывают разбиение исходной задачи большой размерности на совокупность взаимосвязанных задач меньшей размерности, решение которых с заданной степенью точности соответствует решению исходной задачи.

Совокупность подсистем управления и способ их взаимосвязи образуют структуру системы управления.

Структуры сложных систем управления, как правило, строятся с использованием иерархического и функционального принципов выделения подсистем.

В системе управления предприятием можно выделить четыре уровня иерархии.Первый (нижний) уровень иерархии состоит из множества систем управления отдельными технологическими операциями. Целью управления на этом уровне обычно является выбор и поддержание заданных режимов выполнения технологических операций.

Второй (следующий) уровень иерархии включает системы управления производственными участками, технологическими линиями, технологическими установками. Основная цель состоит в выборе и поддержании режима совместного функционирования взаимосвязанных технологических операций, образующие технологический процесс (координация).

Совокупность систем управления первого и второго уровней будем называтьсистемами управления технологическими процессами.

Третий уровень иерархии составляют системы управления цехами, технологическими производствами. Цель управления заключается в организациивыпуска продукции конкретной номенклатуры в заданные сроки с требуемым качеством и наименьшими затратами. Для реализации этой цели в процессе управления необходимо выполнять функции организационного и экономического характера.

Объектом управления начетвертом уровне иерархии является предприятие в целом.Цель управления заключается в организации совместного функционирования подразделений для выпуска готовой продукции с заданными технико-экономическими показателями. Совокупность систем управления третьего и четвертого уровней называютсистемой управления предприятием.

Система управления предприятием относится корганизационно-экономическим системам управления. В организационно-экономических системах объектом управления являются коллективы людей, взаимодействующие с технологическим оборудованием, а также осуществляющие конструктивную и технологическую подготовку производства.

Одна из основных функций управления этофункция планирования. Обычно планирование подразделяют наперспективное и текущее (технико-экономическое и оперативное). В организационно-экономических системах рассматривают совместно три функции:оперативное планирование, контроль (т.е. определение текущего состояния производства от планового) и выработка регулирующего воздействия. Совокупность трех этих функций называютоперативным управлением.

4. Автоматизированные системы управления технологическими процессами. Типовые задачи АСУ ТП. Функции и виды обеспечения АСУ ТП.

АСУ ТП – человеко-машинная система управления, обеспечивающая автоматизированный сбор и обработку информации, необходимой для оптимизации управления технологическим объектом в соответствии с принятым критерием. Критерий управления АСУ ТП – это отношение, характеризующее качество функционирования ТОУ в целом и принимающее конкретные числовые значения в зависимости от используемых управляющих воздействий.

Система управления технологическим является АСУ ТП в том случае, если осуществляет управление ТОУ в целом в темпе протекания технологического процесса и если в выработке и реализации решений по управлению участвуют средства вычислительной техники, другие технические средства и оператор. При разработке АСУТП можно выделить следующие типичные задачи:

1) Задачи разработки и оптимизации работы локальных подсистем регулирования (АСР) – подсистем нижнего уровня: - выбор структуры АСР (одноконтурные, каскадные, комбинированные, многосвязные, логико-динамические, с эталонной моделью, адаптивные, нечеткие, нейронные и т.д.), оптимизация структуры системы, структуры и параметров управляющих устройств.

2) Продвинутые задачи в штатном режиме:

- управление процессом по качеству продуктов переработки;

- минимизация материальных- и (или) энерго- затрат;

- оперативное управление по ТЭП;

3) Продвинутые задачи по обеспечению безопасности

- диагностика отказов датчиков, ИУ;

- защита от последствий отказов (резервирование, замораживание выходов регуляторов, расчет параметров на основе моделей);

- принятие мер по снижению отрицательного эффекта от отказов;

- прогнозирование развития аварийных ситуаций и мягкое парирование неполадок элементов автоматизированного технологического комплекса.

4) Задачи по пуску установки.

Функция АСУ ТП– это круг (совокупность) действий системы, направленный на достижение одной из частных целей управления. Частные цели управления, как и реализующие их функции, образуютфункциональную структуру АСУ ТП.

Обычно выделяют три вида функций:

Информационные функции- цель – сбор, преобразование и хранение информации о состоянии ТОУ, представление этой инф-ции оперативному персоналу или передача ее для последующей обработки. Основные информационные функции: первичная обработка информации о текущем состоянии ТОУ; обнаружение отклонений технологич. параметров и показателей состояния оборудования от установл. значений; расчет значений, не измеряемых величин и показателей; оперативное отображение и регистрация информации; обмен информацией с оперативным персоналом; обмен информацией со смежными и вышестоящими АСУ.

Управляющие функцииобеспеч. поддержание экстремального значения критерия управления в условиях изменяющейся производственной ситуации. Они делятся на две группы: первые служат для определения оптимальных управляющих воздействий, при которых поддерживается оптимальный (или близкий к нему, т.е. рациональный) режим технологического процесса; ко второй группе относятся функции, обеспечивающие реализацию этого режима путем формирования управляющих воздействий на ТОУ. Отличит. ос-ть упр. и информ. ф-ций АСУ ТП – их направленность на конкретного потребителя (объект управления, оперативный персонал, смежные системы управления).

Вспомогательные функцииобеспечивают решение внутрисистемных задач. Эти функции не имеют потребителя вне системы и обеспечивают функционирование АСУ ТП. В зависимости от степени участия людей в выполнении функций системы различают два режима реализаций функций:автоматизированный и автоматический.

Создание и внедрение АСУ ТП связано с реализацией (материализацией) различныхвидов обеспечения.

Техническое обеспечение(system hardware) -комплекс технических средств (КТС), применяемых для функц-я АСУ.Основные элементы:средства получения информации о текущем состоянии ТОУ (источники информации); управляющий вычислительный комплекс (УВК); технические средства для реализаций функций локальных систем автоматизации; устройства связи с оперативным персоналом; исполнительные устройства, непосредственно реализующие управляющие воздействия на ТОУ.

Математическое обеспечение(mathematical support), т.е. сов-ть математич. методов, моделей и алгоритмов обработки информации, используемых при разработке и функц-ии таких систем.

Программное обеспечение(system software) - комплекс программ, реализующих алгоритмы обработки информации. Его разделяют на общее (ОПО) и специальное (СПО). ОПО – совокупность программ, рассчитанных на широкий круг пользователей и предназначенных для организации вычислительного процесса и (или) решений часто встречающихся задач обработки информации. СПО – совокупность программ, разрабатываемых при создании конкретной системы управления для реализации ее функций.

Подинформационным обеспечением(data support) формализов. описание процессов обработки данных, т.е. информации, циркулирующей в системе при ее функционировании. В АСУ ТП основную роль играет отображающая информация.

Лингвистическое обеспечение(linguistic support) – сов-ть языковых средств для формализации естественного языка, построения и сочетания информац. единиц при общении персонала АСУ со средствами вычислительной техники при функционировании АСУ.

Организационное обеспечение(organizational support) - совокупность описаний функц., технич. и организац. структур, инструкций и регламентов для оперативного персонала АСУ ТП, обеспечивающую заданное функционирование оперативного персонала в составе АТК.

В составоперативного персоналаАСУ ТП входят: технологи - операторы, осуществляющие контроль за работой и управление ТОУ, а также эксплуатационный персонал АСУ ТП. Ремонтный персонал в состав АСУ ТП не входит.

5. Функциональная структура многоуровневой системы управления производством. ПонятиеCIM пирамиды. Функциональная схема современной системы управления технологическим процессом.

Решение задач автоматизации производства с применением современных вычислительных технологий происходит вмногоуровневой системе управления (компьютерные системы автоматизации производства). Такие системы имеют следующую функциональную структуру

1. I/O (Input/Output), уровень ввода – вывода (сбор технологической информации посредством датчиков и управление исполнительными механизмами, сенсоры и актуаторы);

2. Control (Control Level), системы автоматического контроля и регулирования (автоматические регуляторы, микропроцессорные контроллеры и преобразователи);

3. SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition) – система сбора данных и оперативного диспетчерского управления с помощью специального программного обеспечения (PMOT - Рабочее Место Оператора-Технолога);

4. MES (Manufacture Execution System) система исполнения производства; основная задача обработка и фильтрация информации о технологическом процессе с целью его дальнейшего использования средним и верхним эшелоном управления предприятием в реальном масштабе времени;

5. MRP (Manufacture Resource Planning) система автоматизации бухгалтерского учета, планирования, управления финансами и материально-техническим снабжением, организация документооборота.

Все пять уровней системы управления реализует ИАСУП (Интегрированная Автоматизированная Система Управления Предприятием).

Компьютерные средства, образующие СУП, формируют сложную по архитектуре сеть, характ. ос-ть которой – вертикальная иерархия. На каждом уровне реализуется логически обоснованный набор функций, таким образом, создаетсяCIM (Computer Integrated Manufacture) пирамида.

В CIM пирамиде выделяют пять уровней (этажей)

1- уровень датчиков и исполнительных механизмов; 2- уровень процесса; 3- системный уровень; 4- уровень управления; 5- прикладной уровень.

При решении задач реализации (построения) АСУТП обычно используются специализированные программные пакеты, которые условно можно разбить на два подмножества:

1). CASE–средства (Computer Aided Software Engineering). предназначенные для программирования задач, реализуемых подсистемами нижнего уровня АСУТП на промышленных микроконтроллерах;

2). SCADA–системы, которые предназначены для автоматизированного конфигурирования АСУТП, обеспечения высокого уровня сервиса при предоставлении информации.

SCADA–пакеты предназначены для визуализации ТП и удобного представления информации, получили название MMI – систем (Man Machine Interface).

Функциональная схема управления, в которой SCADA–система представлена как ядро АСУТП, а всё остальное условно отнесено к АСУП.

1-БД реального времени

2-средства представления инф-ции

3-архив

4-технологический регламент-данные о зависимости величины эксплуатац. затрат от технологич. режима

5-модели ситуационных отношений и прогнозирования

6-база инструкций и прецедентов.Прецедент-спецификация последовательности действий, кот. может осуществить система (класс) при взаимодействии с внешним миром. Понятие заключается в документировании функц. требований программн. средством и образующих сценарий.

7-формирование правил вывода

8-структура объекта

9-конструирование математич. моделей

В зависимости от распределения информационных и управляющих функций между человеком и УВК, между УВК и средствами контроля и регулирования возможны различные принципы построения АСУ ТП. Наибольшее распространение в промышленной практике получили следующие структуры: централизованные АСУ ТП и децентрализованные распределенные АСУ ТП.

6. Централизованные АСУ ТП. Функции и структуры КТС.

В централизованной системе вся информация, необходимая для управления АТК, поступает в единый центр – операторский пункт, где установлены практически все технические средства АСУ ТП за исключением источников информации и исполнительных устройств и где находится оперативный персонал. Техническая структура таких систем наиболее проста и имеет ряд очевидных эксплуатационных достоинств. Недостатками ее являются необходимость избыточного числа элементов для обеспечения высокой надежности функционирования АСУ ТП и большие затраты на кабельную продукцию. Она целесообразна для сравнительно небольших по мощности и компактных АТК с умеренными требованиями по надежности.

Системы с централизованной структурой в зависимости от особенностей выполнения функций УВК можно разделить на:информационные, работающие в режиме «советчика», супервизорные и непосредственного цифрового управления (НЦУ).

Информационный режим. В управляющий компьютер вводится информация о состоянии ТОУ, в том числе значения управляемых и управляющих величин. Оператор управляет процессом с центрального пульта управления, используя информацию, выдаваемую компьютером и вторичными приборами. Для решения задачи сбора и обработки информации необходимо иметь информационную модель ТОУ.

Режим советчика. Кроме информационных функций на УВК возлагаются задачи анализа поступающей информации и выработки оптимальных решений с выдачей оператору рекомендаций по управлению. Недостатком подобного класса АСУ ТП является присутствие человека в контуре управления. Для работы в режиме советчика должна быть динамическая модель ТОУ, используя такую модель, компьютер выдает в режиме реального времени (on-line) советы оператору.

Режим супервизорного управления. Супервизор – название основной программы операционной системы компьютера. Основная особенность супервизорного режима работы АСУ ТП – автоматическое управление локальными регуляторами с помощью УВК. Задача такой системы – поддержание работы ТОУ в режиме близком к оптимальному. У супервизорных систем управления в программном обеспечении присутствует оптимизационная модель процесса.

Режим непосредственного цифрового управления (НЦУ). УВК реализует функцию многоканального управляющего устройства (многоканальный регулятор).

7. Распределенные системы управления технологическими производствами. Концепции построения и основные задачи РСУ. Функционально-целевая и топологическая децентрализация ТОУ. Архитектура РСУ. Структура КТС.

Распределеннойпринято считать АСУ ТП, в которой несколько взаимносвязных процессоров выполняют различные функции. В таких системах появляется возможность получения высоких показателей надежности за счет расщепления АСУ ТП на семейство небольших и менее сложных автономных подсистем и дополнительного коллективного резервирования каждой из этих подсистем через сеть (понятие живучести).

Современные системы компьютерной автоматизации строятся с применением принципа РСУ. РСУ предполагают сетевой обмен информацией. Дальнейшее развитие принципа распределенного управления привело к широкому распространению технологии Fieldbus («полевая шина»). Она предполагает использование стандартного серийного порта и витой пары.

Основные задачи решаемые РСУ:

сбор и предварительная обработка информации; автоматическое регулирование; ЛПУ (логико-программное управление), управление процессами в нестационарных режимах их работы; приоритетное управление (на одно и то же устройство, действующее на ТОУ, могут подаваться сигналы с различных подсистем управления); защита и блокировка (как локальная, так и глобальная); оперативное управление; сигнализация; архивирование информации; регистрация событий; неоперативные расчеты; передача информации на более высокий уровень.

Концепции построения современных децентрализованных АСУ ТП:

проблемно-ориентированный подход при построении СУ; распределенное автоматическое управление; объектно-ориентированное управление; централизованный контроль; технологическое программирование; проектная компоновка; самодиагностика и выборочное развитие;

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

Топологическая децентрализацияозначает возможность территориального разделения процесса на функционально-целевые подпроцессы. Число подсистем распределенной АСУ ТП выбирается так, чтобы мимнимизировать суммарную длину линий связи, образующих вместе с локальными подсистемами управления сетевую структуру.

Технической основой современных РСУ являются микропроцессоры и микропроцессорные системы. Распределенная АСУ ТП представляет собой объединение при помощи каналов и устройств связи разнообразных МПС, которое называютлокальной вычислительной сетью(ЛВС). Поэтому подархитектуройраспределенных АСУ ТПпонимаютфункциональные, логические и физические принципы организации ЛВС.:

1)наличие цифровой связи между компонентами системы управления;

2)интеллектуализация устройств путем встраивания микропроцессорных (МП);

3)приближение вычислительных возможностей к ОУ и повышение эффективности и надежности;

4) независимость контуров регулирования от супервизорной ЭВМ.

8. Основные функцииSCADA систем. Требования кSCADA системам. Определение программной и аппаратной открытости компьютерных систем управления.

НаSCADA – систему возлагаются две основные функции:

  • сбор данных о контролируемом технологическом процессе;
  • управление технологическим процессом, реализуемое ответственными лицами на основе собранных данных и правил (критериев), выполнение которых обеспечивает наибольшую эффективность и безопасность технологического процесса.

SCADA – системы обеспечивают выполнение следующих основных функций.

  • Прием информации от контролируемых технологических параметров от контроллеров нижних уровней и датчиков.
  • Сохранение принятой информации в архивах.
  • Вторичная обработка принятой информации.
  • Графическое представление хода технологического процесса, а также принятой и архивной информации в удобной для восприятия форме.
  • Прием команд оператора и передача их в адрес контроллеров нижних уровней и исполнительных механизмов.
  • Регистрация событий, связанных с контролируемым технологическим процессом и действиями персонала, ответственного за эксплуатацию и обслуживание системы.
  • Оповещение эксплуатационного персонала об обнаруженных аварийных событиях, связанных с контролируемым технологическим процессом и функционированием программно-аппаратных средств АСУ ТП с регистрацией действий персонала в аварийных ситуациях.
  • Формирование сводок и других отчетных документов на основе архивной документации.
  • Обмен информацией с АСУП.
  • Непосредственное автоматическое управление технологическим процессом в соответствии с заданными алгоритмами.

КSCADA-системам предъявляются особые требования:

- соответствие нормативам "реального времени" (в т.ч. и "жесткого реального времени");

- способность адаптироваться как к изменениям параметров среды в темпе с этими изменениями, так и к условиям работы информационно-управляющего комплекса;

- способность работать в течение всего гарантийного срока без обслуживания (бесперебойная работа годами);

- установка в отдаленных и труднодоступных местах (как географически - малообжитые районы, так и технологически - колодцы, эстакады).

Аппаратная открытость – поддержка или возможность работы с оборудованием сторонних производителей.

Программная открытость - для программной системы определены и открыты используемые форматы данных и процедурный интерфейс, что позволяет подключить к ней внешние, независимо работающие компоненты, в том числе разработанные отдельно программные и аппаратные модули сторонних производителей.

9. Классификация и основные характеристики МП ПТК. Стандарт МЭК 61131.

Р/м микропроцессорные технические комплексы, применяемые для централизованных АСУТП. Для реализ-децентрализов. АСУТП выполняются универсальные микропроцессорн. Программно-технич. Комплексы различных классов. Каждый класс рассчитан на определенный объем обрабатываемой информ-ции и выбор выполняемых функций.

1. контроллеры на базе ПК (платы) (в медицине, в научных лабораториях, средствах коммуникаций. Сложная обработка измерительной информации).

Б) средства автоматизации работы в среде, не сильно отличающейся от конторской. Регулируемые контроллером ф-ии целесообразно в силу их нестандартности программировать на обычных языках программирования невысокого уровня.

2. Программируемые логические или локальные контроллеры (РLC) могут быть выполнены в двух модификациях: встраиваемые в оборудование и технич средства в защитном корпусе. Обладают высокой надежностью, живучестью. Для работы таких контроллеров разработаны методы резервирования и полной диагностики.

3. Сетевой комплекс контроллеров. Класс наиболее широкого применения во всех областях промышленности. Сетевой комплект имеет определенные ограничения, связанные со сложностью выполнения функций.

4. DCS малого масштаба.

5.распределенные системы управления полномасштабные.

Такая классификация носит условный хар-р. Четких границ между классами ПТК нет, поэтому в силу открытости отдельных частей систем при решении задачи СУ можно компоновать между типовыми промышленными системами и создавать СУ из сочетаний отдельных компонентов, выпускаемых различными фирмами.

Для того чтоб иметь определенный стандарт по программированию контроллеров международ. электротехнич. комиссия разработала стандарт по требованиям к промышленным контроллерам МЭК 61131. Он состоит из частей:1

1. Общая информация

2.требования к оборудованиям и тестам.

3.языки программирования

4.руководство пользователя.

5. спецификация сообщений

6. промышленные сети

7. программирование с нечеткойлогткой

8. руководящие принципы применения и реализации программируемых локальных контроллеров

IEС 61131-3 –стандарт предполагает 5 языков программирования.

Использ данного стандарта полностью соответствует концепции открытых систем, а именно, делает программу для контроллера независимой от конкретного оборудования - ни от типа процессора, ни от операционной системы, ни от плат ввода-вывода. После принятия стандарта появилась возможность созданияаппаратно-независимых библиотек. В настоящее время программы многих фирм производителей ПЛК поддерживают этот стандарт. К достоинствам стандартных языков программирования следует отнести простоту и доходчивость представления, единые требования при подготовке специалистов, возможность создания комплексов проектирования МЭК 61131-3. Такой подход позволяет автоматизировать работу разработчика прикладной системы автоматизации.

10. Технология автоматизации, основанная на применении полевой шины. Основные преимущества, коммуникационные протоколы, архитектура и топология.

Развитие РСУ (DCS) привело к появлению топологии полевая шина (Fieldbus), основанное на дальнейшем развитии информационного сигнала в промышленных СУ. Стандарт должен обеспечивать возможность взаимодействия контроллеров, устройств связи с объектом, датчиков и исполнительных механизмов разных производителей. Эволюция стандартного информационного сигнала в промышленных СУ отражена на следующем рисунке

Здесь HART протокол цифровой связи с первичными датчиками и преобразователями. Протокол открытый. Протокол использует стандарт BELL 202 кодировки сигнала методом частотного сдвига для обмена данными на скорости 1200 Бод; сигнал накладывается на аналоговый измерительный сигнал 4 -20 мА на нижнем уровне (+0.5 - -0.5 мА, 1200 Гц – «1», 2200 Гц – «0»). Поскольку среднее значение токового сигнала равно нулю, цифровая связь не влияет на токовый сигнал. Протокол появился в связи с широким применением интеллектуальных устройств. Технология Fieldbus предполагает открытый цифровой обмен между различными устройствами цифровой автоматизации, т. е. обмен между контроллерами, датчиками, ИМ, УСО различных производителей.

Самое важное в том, что стандартFieldbus позволяет устройствам обмениваться информацией по принципу «точка – точка» (PointtoPoint). Стало возможным распределить управление ТП непосредственно на уровне датчиков и ИМ. Кпреимуществам относится полное (за счет параллельной обработки) использование ресурсов МП устройств нижнего уровня АСУ ТП, что может привести:

o к сокращению времени реакции на события;

o к лучшей управляемости АСУ ТП;

o к улучшению диагностики;

o к большей гибкости;

o к возможности использовать освобождающиеся вычислительные ресурсы верхних уровней АСУ ТП для решения дополнительных задач, в том числе для управления производством в целом (АСУ).

ТехнологияFieldbus позволяет решить задачу интеллектуальной полевой коммуникации.

Архитектура полевой шины

Топология полевой шины

11. Основные этапы проектирования АСУ ТП. Задачи проектирования локальных АСР технологических процессов. Понятия структуризации и характеризации. Жизненный цикл АТК.

Состав и содержание работ по созданию системы автоматизации зависят от особенностей создания АСУ ТП или АТК в целом.

Выделяют три периода: подготовка к созданию, создание и промышленная эксплуатация. Подготовка к созданию содержит одну стадию –технико-экономическое обоснование. Период внедрение состоит из пяти стадий:техническое задание (ТЗ), эскизная разработка, технический проект (ТП), рабочий проект (РП), внедрение системы управления (ввод в действие).

Настадии ТЗ (функциональная разработка) основным этапом являются предпроектные НИР. Главная задача этих работ – изучение технологического процесса как объекта управления.

Прихарактеризации систем, т.е. при математическом или другом формализованном ее описании, предметом исследования является форма связи между переменными и параметрами системы.Характеризация управляемой системы (в отличие от систем вообще) отражает связи между управляемыми переменными и воздействиями, наиболее существенно влияющими на них. Подструктуризацией понимают процесс формулирования реальных (достаточно нечетких) задач управления в виде, подающемся решению в рамках теории управления.

Результаты предпроектных НИОКР используют на стадииэскизной разработки АСУ ТП. На этом этапе выполняются следующие работы: выбираются критерии и методы решения задачи оптимального управления ТОУ (ее декомпозиция при необходимости); разрабатывается функциональная и алгоритмическая структуры; определяются объемы информации о состоянии ТОУ и необходимые ресурсы вычислительного комплекса; предварительный выбор КТС.

Следующей стадией создания нетиповой АСУ ТП является разработкатехнического проекта (ТП). Разработка технического проекта предполагает принятие основных технических решений на основе технического задания.

На стадиирабочий проект (РП) разрабатывается состав документации, по которому ведутся монтажные и пуско-наладочные работы.

На стадииввод в действие АСУ ТП, внедрение и анализ ее функционированияпроисходит физическая реализация системы и передача ее в промышленную эксплуатацию. На этой стадии проводятся монтажные, пуско-наладочные работы, опытная эксплуатация системы. Основанием для начала работ по вводу в действие АСУ ТП служит готовность рабочей документации и не серийных компонентов средств автоматизации.

Диаграмма жизненного цикла АТК: ПР – проектирование; С – строительство; ИС – исходное состояние; ГС – горячее состояние; НС – нормальное состояние (штатный режим); ДС – до аварийное состояние; ПС – предаварийное; АС – аварийное; РС – ремонтное; КС – конечное;1 – завершение строительства; 2 – пуск; 3 – останов; 4 – завершение пуска; 5 – управление развитием ситуации; 6 – сигнализация; 7 – корректировка технологического режима; 8 – диагностика ситуаций; 9 – авария; 10 – останов; 11 – завершение ремонта, проверка; 12 – плановый останов; 13 – плановое уничтожение/реконструкция установки; 14 – аварийное уничтожение/реконструкция.

12. Системный анализ технологического процесса как объекта управления (структура, особенности моделей и динамических характеристик).

Общая задача управления ТОУ формулируется обычно задача максимизации (минимизации) некоторого критерия (себестоимости, энергетических затрат, прибыли) при выполнении ограничений на технологические параметры, накладываемые регламентом.

Любой технологический процесс как объект регулирования определяется следующими основными группами переменных.

  1. Переменные, характеризующие состояние процесса. Их необходимо поддержать на определенном заданном уровне или изменять по определенному закону в соответствии с технологическим регламентом. Вектор управляемых величин измеряется непосредственно, либо с помощью модели по другим непосредственно измеряемым переменным. Таким образом, состояния любого ТОУ можно характеризовать вектором управляемых величинY(t) размерностьюn. При построении замкнутых систем регулирования в качестве управляемых координат выбирают технологические параметры, изменение которых свидетельствует о нарушении материального или теплового баланса. (Уровень жидкости – показатель баланса по жидкой фазе; давление – показатель баланса по газовой фазе; температура – показатель теплового баланса; концентрация – показатель материального баланса по компоненте.)
  2. Переменные, изменением которых СУ может воздействовать на ОУ с целью управления – вектор управляющих (регулирующих) воздействийt с размерностьюm <=n. Управляющие воздействия – организованные воздействия, реализуются регулирующими органами. Возможные регулирующие воздействия это изменение материальных или тепловых потоков.
  3. Переменные, изменения которых не связаны с воздействием системы регулирования. Эти изменения отражают влияние на регулируемый объект внешних условий, изменения характеристик самого объекта и т.п. Их называют возмущающими воздействиями. Возмущающие воздействия делят на две группы – одни измеримые, а другие – нет. Измеримые возмущения позволяют ввести в систему управления дополнительную информацию для повышения качества ее работы.

Так как возмущения относятся к классу аддитивных воздействий, то объект управления представляем в виде, когда все возмущения заменяются некоторым эквивалентным (при соблюдении принципа суперпозиции).

Анализ ТП, как объекта АСР, предполагает оценку статических и динамических свойств по каждому из каналов от любого возможного управляющего воздействия к любому возможному управляемому (регулируемому) параметру, а также оценку аналогичных характеристик по каналам связи управляемых переменных с составляющими вектора возмущений.

Рассматривая систему управления технологической установки, приходится учитывать следующие специфические особенности ТОУ.

1. Сложность и слабую изученность химических реакции, процессов тепло и массообмена. Это обстоятельство заставляет определять математическое описание объектов экспериментальным путем.

2. Нестационарность статических и динамических характеристик, возникающих из-за постоянного отравления катализатора, образования накипи, осадков, изменение окружающих условий. Нестационарность затрудняет задачу автоматизации, т. к. приходится в процессе эксплуатации переналаживать АСР.

3. Наличие многочисленных источников шума и нестабилизированных возмущений (пульсация расходов сырья, теплоносителя, колебаний давления и т. д.) Поэтому при получении математического описания и при исследовании свойств системы необходимо использовать методы математической статистики, теорию вероятности, теорию случайных процессов.

4. Наличие прямых и обратных связей между управляемыми координатами и управляющими воздействиями, что затрудняет построение качественно работающих систем.

5. Большая инерционность промышленных объектов, наличие элементов технологического оборудования, создающее существенное запаздывание сигнала.

6. Проведения длительных экспериментов по наладке СУ в режиме нормальной эксплуатации технологического оборудования не всегда возможно.

Результаты точного математического описания слишком громоздки для практического использования, поэтому для решения задачи синтеза системы принимается ряд допущений.

1. Допущение о сосредоточенности параметров ОУ, что позволяет описать динамические свойства ОУ с помощью дифференциальных уравнений в полных производных. Такие модели – одноточечные модели, реальные же ОУ характеризуются моделями с распределенными параметрами.

2. Допущение о стационарности динамических свойств, что позволяет аппроксимировать свойства реального объекта обыкновенными дифференциальными уравнениями с постоянными коэффициентами.

3. Допущение о линейности в «малом» промышленных объектов. Для ТОУ в этом режиме его функционирования работает принцип суперпозиции. Допущение будет справедливым, если статическая характеристика ОУ линеаризована в окрестности номинального «рабочего режима (yн,н)». Проверка принципа суперпозиции проводится при идентификации объекта управления.

Если перечисленные допущения соблюдаются, то динамические свойства промышленного ОУ в области нормальных режимов его работы представляют в виде неоднородных обыкновенных дифференциальных уравнений с запаздывающим аргументом

,

13. Алгоритмы функционирования промышленных автоматических регуляторов. Области нормальных и линейных режимов работы регуляторов.

Аналоговые регуляторы воспроизводят функциональную непрерывную зависимость между рассогласованием и управляющим воздействием, решая задачу сведения рассогласования к нулю.

.

Если F линейная функция, (П, И, ПИ, ПИД, ПД регуляторы)– линейные алгоритмы. Если F – нелинейная функция, то это нелинейные алгоритмы регулирования. Среди нелинейных алгоритмов наибольшее распространение получили релейные (позиционные) алгоритмы.

Характерной особенностью применения позиционных алгоритмов в реальных СУ является возникновение автоколебаний. В связи с этим режим автоколебаний становится основным в работе таких систем.

Так как в реальных конструкциях изменение выходного сигнала мгновенно произойти не может, то у реального регулятора hр(t)реал.

Если  , то у линеаризованного регулятора

, здесь  - передаточная функция балластного звена.

Область нормального режима работы регулятора – область таких амплитуд и частот входного сигнала и параметров регулятора, в пределах которой ЧХ реального регулятора отличается от ЧХидеального регулятора не более чем на 5% по модулю и 5 ° по фазе:

Область линейных режимов работы регулятора – область таких амплитуд и частот входного сигнала и параметров регулятора, в пределах которой ЧХ реального регулятора отличается от ЧХлинеаризованного регуляторане более чем на 5% по модулю и 20 ° по фазе:

14. Аналоговые регуляторы с пропорциональным управляющим сигналом (структурные схемы, особенности реализации).

15. Аналоговые регуляторы с импульсным управляющим сигналом (структурные схемы, особенности реализации).

Формирование аналоговых алгоритмов обычно выполняется по 3-м схемам с применением следующих устройств: усилителей сигнала, усилителей мощности и корректирующих устройств. Как правило, в промышленных регуляторах применяются устройства параллельной коррекции.

Схема 1.

Здесь СМ – сервомотор (усилитель мощности).

Схема 2.

Схема 3.

Если , а .

Для схемы 2:

.

Если , то устройство коррекции

- реальное дифференцирующее звено.

Для схемы 3:

, то устройство коррекции

- инерционное звено.

16. Дискретное представление уравнений непрерывных типовых регуляторов. Позиционный и скоростной алгоритмы.

Структурная схема системы регулирования с цифровым контроллером.

Рассмотрим дискретное представление алгоритма непрерывного ПИД-регулятора

.

Если время подвергнуть процедуре квантования, а ошибкой округления в АЦП пренебречь, то исходное уравнение регулятора можно преобразовать в разностное. Допустим, что производные вычисляются через первую разность, а интегрирование реализуется методом прямоугольников тогда

.

Такой алгоритм реализации ПИД- регулятора называютпозиционным илинерекурсивным. В любой момент времени положение ИМ (позиция) должно соответствовать числу на выходе цифрового фильтра, а в памяти регулятора запоминаются все предыдущие значения сигнала рассогласования. Так как цифровой регулятор это устройство реального времени (realtime), то при программной реализации алгоритма возникают явления, связанные с переполнением разрядной сетки («залипание»). В связи с этим алгоритмы реальных контроллеров строятся по другой схеме.

Рассмотрим значения выходного сигнала регулятора в предыдущий момент времени

, тогда

, или

,

.

Получаемразностный (скоростной) алгоритм, использующийрекурсию, так как на текущем шаге вычисляется приращение к предыдущему.Z-передаточная функция такого алгоритма ПИД регулятора равна

.

17. Модификация дискретных алгоритмов типовых регуляторов.

Модифицированные алгоритмы менее чувствительны к высокочастотным составляющим сигнала рассогласования.

Модификация управляющего алгоритма, представленного на рис. 3.19 заключается в следующем: рассогласование отрабатывает ПИ-составляющая, а выходной сигнал - дифференциальная составляющая алгоритма. Другой вид модификации (рис. 3.20): рассогласование отрабатывает И - составляющая, а выходной сигнал ПД - составляющая.

Если рассмотреть последний вариант, то закон регулирования и разностное уравнение принимают следующий вид:

,

.

18. Современные реализации типовых алгоритмов регулирования в цифровых контроллерах.

19. Задача синтеза систем управления на стадии ТЗ. Классификация методов параметрического синтеза АСР.

Задача синтеза систем управления ТОУ на стадии ТЗ, как правило, сводится к расчету одноконтурных систем. По результатам расчета проводится оценка качества работы проектируемых систем с целью определения соответствия их технологическому регламенту.Проверяется возможность применения наиболее простых алгоритмов, если качество их работы не удовлетворяет проектировщика, то переходят к более сложным алгоритмам или используют схемные методы повышения качества.

Современные БАСУ это сложные в сравнении с одноконтурными системы: каскадные, комбинированные, многосвязные, с использованием ПИ, ПИД и более сложных алгоритмов управления.В таких системах, имеющих не менее трех параметров настройки, применение интуитивных и простейших методов настройки регуляторов, обеспечивающих лишь устойчивость систем, становится все более нецелесообразным и неэффективным.

В теории управления разработаны различные методы расчета АСР при заданных критериях качества.

Инженерные методы базируются на расчете одноконтурной линейной АСР, так как последняя лежит в основе структур каскадных, инвариантных и других классов АСР, как аналогового, так и цифрового и импульсного действия.

По основным характеристикам методы принято их делить на классы и группы. Методы также различают по структуре цепей настройки, по наличию поиска и по влиянию на работу системы.

В основу деления на классы положен признак предназначения метода. Согласно ему можно выделить четыре класса:

1)упрощенные (прикидочные, экспрессные, приближенные, экспериментальные) методы;

2)аналитические, рассчитанные на ведение расчетов человеком;

3)аналитические для ведения расчетов с применением ЭВМ;

4)итерационные методы и методы самонастройки.

В основу деления на группы положен тип применяемых для расчета динамических характеристик объекта. При этом выделяют две группы:

а)группа «точных» методов, основанных на использовании при расчете всей временной или частотной характеристики объекта, либо наиболее существенного ее участка;

б)группа грубых методов, основанных на использовании характеристики некоторой модели объекта (или разомкнутой АСР).

При делении методов по структуре цепей настройки различают методы с замкнутой и разомкнутой структурой. Под замкнутыми понимают структуры настройки с замкнутыми цепями оптимизации. Обычно это структуры с обратной связью по настраиваемым параметрам. Соответственно, под разомкнутыми – структуры с разомкнутыми цепями оптимизации.

По влиянию на работу АСР различают методы без изменения структуры исходной АСР и с изменением структуры. В последних в процессе настройки меняется структура и режим работы АСР.

Наконец, по наличию поиска различают поисковые и беспоисковые методы. Поисковые методы, при которых оптимальные параметры находятся при помощи пробных шагов по всем или некоторым параметрам настройки. Беспоисковые методы, при которых движение к оптимуму определяется при фиксированных параметрах настройки без пробных шагов.

20. Итерационные методы автоматизированной настройки действующих промышленных систем управления. Косвенные критерии оптимальной настройки промышленных АСР.

Следует выделить два возможных подхода к определению оптимальных параметров настройки системы управления: расчет настройки по модели управления либо оптимизация действующей системы.

Структура алгоритма на первой схеме (рис. 3.27) является разомкнутой, а структура настройки действующей системы замкнутой (рис. 3.28). В первом случае расчет производится однократно и его результаты окончательны, поэтому при неоптимальных параметрах вопрос настройки остается открытым. Если в методах расчета по модели объекта используются отдельно характеристики объекта и регулятора,то при оптимизации действующей системы эксперимент осуществляется с учетом реальных свойств всей системы, включающей объект и контроллер. Но разомкнутый алгоритм оптимальной настройки реализуют на стадии технического задания при проектировании системы, а замкнутый только на действующей или смонтированной системе.

Адаптация обычно реализуется двумя способами: поисковая или с идентификацией ТОУ, т.е. с экспериментальной оценкой его математической модели. Поисковая адаптация приводит к существенным изменениям нормального режима работы ОУ и не всегда оказывается приемлемой для практической реализации. Адаптация с идентификацией ТОУ, когда происходит промежуточная экспериментальная оценка математической модели, является более приемлемой для практики.

Методы адаптации в системах с идентификацией объектов управления делят на пассивные и активные. Пассивную адаптацию реализуют в режиме нормальной эксплуатации. В реальных системах методы пассивной адаптации обычно не работают, так как в режиме нормальной эксплуатации системы регулирования функционируют на частотах, не содержащих резонансную частоту. Активную адаптацию реализуют подачей на ОУ специально организованных воздействий, которые могут быть сигнальными, параметрическими, алгоритмическими и структурными.

В качестве критерия оптимальности системы могут использоваться либо прямые показатели качества системы (время регулирования, максимальная динамическая ошибка Δmax, степень затухания ψ и т. д.), либо косвенные оценки качества. Как правило, используют косвенные оценки показателей качества, так как они обладают большим быстродействием (требуют меньших затрат времени на определение).

Косвенные показатели качества получают при рассмотрении характерных свойств систем регулирования реальных ТОУ.Следует выделить следующие характерные особенности промышленных АСР:

1) возмущающие воздействия являются низкочастотными сигналами;

2) для выбора параметров настройки достаточно знать КЧХ объекта;

3) для типовых линейных алгоритмов регулирования модели объектов с самовыравниванием могут быть представлены в виде апериодических звеньев 1-го и 2-го порядков с запаздыванием;

4) для наиболее тяжелого возмущения динамическое отклонение будет минимальным, если выполняются требования  и  (условия минимакса);

5) для расчета настройки регулятора очень важна область частотной характеристики в окрестности резонансной частоты системы (участок КЧХ разомкнутой системы, содержащий резонансную частоту системы расположен, как правило, в секторе заключенном между отрицательным отрезком вещественной полуоси и лучом, проведенным под углом из начала координат ).

Анализ показывает, что для систем с ПИ-регулятором для различных объектов, вектор КЧХ разомкнутой системы для резонансной частоты при оптимальной настройке занимает стабильное положение (существует некоторое среднее значение амплитуды и фазы на резонансной частоте).

При заданной степени затухания ψ = 0.9 вектор КЧХ замкнутой системы на резонансной частоте , а для КЧХ разомкнутой системы .

При оптимальных настройках параметров, отношение периода колебаний на резонансной частоте к постоянной интегрирования меняется в ограниченных пределах от 2 до 7.

, .

При предварительной оптимизации, когда информация о динамических свойствах объекта управления отсутствует, принимаютb = 3,7.

В.Я. Ротач предложилследующий неэкстремальный косвенный критерий оптимизации. Настройка системы с ПИ-регулятором считается оптимальной, если выполняются следующие условия:

, (1)

для разомкнутой КЧХ системы

, (2)

21. Расчет позиционных систем регулирования. Методика Клюева.

Принципиальная особенность функционирования систем управления с таким алгоритмом – возникновение особого режима работы системы: режима автоколебаний. Параметры автоколебаний (амплитуда и период) нелинейной системы зависят от свойств объекта и параметров нелинейной характеристики (Δ, μmax, μmin). В отличие от линейной системы, автоколебания определяют стационарный режим работы системы, а параметры автоколебаний не зависят от возмущающих воздействий.

Рассмотрим процессы 2-х позиционного регулирования и особенности настройки регуляторов при отсутствии запаздывания в системе.

Пусть объект управления представляет собой интегрирующее звено.

..

Подадим на вход объекта управления ступенчатый сигнал амплитудойm, тогда  рис. 3.40., где .

В системе устанавливаются колебания с размахом  рис. 3.41.

Отрезки времениt1 иt2, характеризующие состояние выходного сигнала реле одинаковы, при этом: ,  , , , амплитуда автоколебаний , а частота переключений реле  (Тк – период колебаний).

Если при настройке уменьшать Δ↓ , то Тк↓ и частота переключенийnk↑.

Рассмотрим вариант работы схемы с несимметричной статической характеристикой нелинейного устройства (например, μmax = 2μmin). В этом случае

, , , .

Если объект обладает свойством самовыравнивания , то разгонная характеристика имеет вид рис. 3.43 .

При симметричной статической характеристике 2-х позиционного реле устанавливаются симметричные автоколебания постоянной амплитуды и частоты. При этом параметры автоколебаний определяют следующим образом.

Размах колебаний , , так как

, то , .

Если , то частота переключений реле  растет.

Рассмотрим поведение системы 2-х позиционного регулирования при наличии запаздывания. Запаздывание значительным образом влияет на параметры устанавливающихся колебаний системы.

Если передаточная функция объекта регулирования ,

то , а .

В результате устанавливаются симметричные колебания с периодом

и размахом .

Если Δ=0, то  и .

Если характеристика несимметричная, то возникает смещение средней линии установившихся колебаний. Такой эффект в автоколебаниях аналогичен появлению статической ошибки. Величина смещения определяется следующим образом .

Аналогичные результаты получают, рассматривая объект с самовыравниванием.

22. АСР с добавочными информационными каналами. Расчет систем со стабилизирующим регулятором.

Каскадные системы – системы, построенные по иерархическому признаку, и представляют особый вид 2-х (или много) уровневых систем. Характерная особенность таких систем: только на нижнем уровне управляющее воздействие реализуется изменением потока энергии, вещества и т. д. Одним из наиболее распространенных типов каскадных систем являются системы со стабилизирующим регулятором. Структурная схема такой системы имеет следующий вид.

Здесь Р1 – стабилизирующий регулятор (вспомогательный, подчиненный), а Р2 – корректирующий регулятор (основной, командный).

Внутренний вспомогательный контур управления представляет следящую систему, а основной решает задачу отработки внешних возмущений.

Сам принцип построения такой системы предполагает, что она будет эффективна, если инерционность по каналам основных и вспомогательных величин значительно отличается друг от друга.Поэтому расчет такой системы проводят, предполагая, что можно рассчитать какой-либо один контур независимо от другого, а следующий контур рассчитывается с учетом найденных на 1-ом шаге настроечных параметров. Таким образом, реализуется принцип декомпозиции, когда оптимизационная задача решается последовательно путем решения более простых задач. Если инерционность основного контура значительно больше инерционности вспомогательного контура, то на 1-м этапе рассчитываются обычными методами настройки стабилизирующего регулятора, а на 2-ом этапе рассчитываются настройки основного корректирующего регулятора. На втором этапе в структуру объекта управления включен стабилизирующий контур регулирования, и передаточная функция виртуального эквивалентного объекта имеет вид

.

При другом способе расчета на первом шаге рассчитываются настройки основного регулятора. Передаточная функция эквивалентного объекта в этом случае принимает вид

.

Рассмотренные методы предполагают возможность расчета, какого – либо контура регулирования независимо от другого.

23. АСР с добавочными информационными каналами. Расчет систем с дифференциатором.

24. АСР с добавочными информационными каналами. Расчет комбинированных систем.

Все возмущения, действующие на объект, как правило, невозможно измерить, поэтому в практических схемах автоматизации широко используется комбинированный принцип управления.Измеримые возмущения компенсируется регулятором возмущений (компенсатором), а неизмеримые отрабатываются основным регулятором.

В комбинированной системе появляется замкнутый контур передачи воздействий и возникает проблема устойчивости. В связи с этим фактом параметры основного регулятора должны быть выбраны с запасом устойчивости (достаточное условие работоспособности системы). В такой системе управления не могут быть выполнены условия абсолютной инвариантности и реализуется принцип инвариантности до ε.

Для первой схемы изображение по Лапласу выходной величины

Для инвариантности относительно измеримого возмущения, необходимо выполнение условия  . Такая сх преобразования сигнала в компенсаторе не всегда может быть технически и физически реализована.

Для второй схемы изображение выходной величины

а .

Отличие таких схем управления от обычных заключается в том, что в обычной системе качество работы улучшается только за счет изменения фильтрующих свойств системы, выбором соответствующего закона регулирования. В комбинированной системе качество можно улучшить еще и соответствующим выбором структуры и параметров компенсирующего устройства. Задача расчета комбинированной системы тогда формулируется следующим образом: в системе необходимо провести выбор оптимальных настроек регуляторов и устройства ввода воздействий от возмущений, таким образом, чтобы система, имея необходимый запас устойчивости, работала с наиболее достижимой точностью (динамической и статической).

25. Расчет систем несвязного управления многомерными объектами. Понятие комплексного коэффициента связности.

При несвязанном регулировании, если учитывают только основные каналы регулирования, расчет и наладку регуляторов проводят как в одноконтурных АСР. Такой подход можно применять в тех случаях, когда влияние перекрестных связей намного слабее, чем основных (выполняется условие диагональной доминантности). При сильных перекрестных связях фактический запас устойчивости системы может оказаться ниже расчетного.

Для регулятора 11 кроме основной части W11 добавляется дополнительный объект, содержащий регулятор р22 и перекрестные связи.

В этом случае:

Еслиwp1 (резонансная) иwp2 работы регулятора значительно различаются, то перекрестными связями в системе несвязанного регулирования можно пренебречь. В этом случае такая система будет работоспособна, поскольку рабочие частоты контуров значительно отличаются друг от друга и поправкой можно пренебречь.

Если же динамика перекрестных связей и основных связей соизмеримы, то при работе такой системы возникает проблема, связанная с устойчивостью.Чтобы предотвратить возможность взаимного влияния, одноконтурные АСР следует рассчитывать с учетом внутренних связей и других контуров регулирования. Это существенно усложняет расчет системы, но гарантирует заданное качество регулирования в реальной системе.

Предполагаем, что по всем каналам регулятора:

,т.е. свойства его в динамике одинаковы.

Рассмотрим случай:

Условие устойчивости в одноконтурной системе:

С эквивалентным объектом:

При одинаковой инерционности в таком объекте запас устойчивости меньше в 2 раза.

Для оценки взаимного влияния работы контуров применяют комплексный коэффициент связности (ККС).

.

Комплексный коэффициент связности вычисляется на нулевой частоте ( = 0, т. е. в установившихся режимах) и на рабочих частотах регуляторовр1 ир2. Если все каналы обладают свойством самовыравнивания, то на нулевой частоте значение ККС определяется отношением произведений коэффициентов усиления по перекрестным и основным каналам

.

Если на этих частотах ККС равен 0, то объект управления можно рассматривать как односвязный. Если , то расчет одноконтурных АСР необходимо вести по передаточным функциям эквивалентных объектов. Если , то неправильно выбраны каналы управляющих воздействий. Интенсивность влияния перекрестных связей выше интенсивности управляющих воздействий.

26. Системы связанного регулирования (автономные АСР).

Применяются дополнительные информационные каналы, благодаря которым внутренние перекрестные связи компенсируются внешними устройствами.Основой построения систем связанного регулирования является принцип автономности. Требование автономности: «путем введения дополнительных внешних связей между РО и соответствующей настройкой этих связей добиваются, чтобы регулирующее воздействие каждого регулятора оказывало влияние только на свою регулирующую величину и практически не влияло на остальные величины». В результате, объект с несколькими взаимно зависимыми регулируемыми величинами искусственно превращается в объект с независимыми (автономными) друг от друга регулируемыми величинами.

Если подобную задачу удается решить, то дальнейший расчет системы не представляет затруднений.

Введем внешнее корректирующее устройство

Если выполняется равенство

и, то  регулируемый объект можно формально рассматривать как состоящий из двух совершенно независимых регулирующих участков с регулирующими воздействиями  и .

Расчет системы проводим по аналогии с расчетом инвариантной системы:

1) определяются настроечные параметры 1-го и 2-го регулятора, обеспечивающие заданный запас устойчивости и, например, условиеminmax; в результате находятсярез контуров регулирования;

2) определяются параметры дополнительной корректирующей связи .

Т. к. во всем диапазоне частот выполнение равенства не удается, то решается задача только0 = 0 и =рез (2 – го контура).

Для данного объекта ККС = 0, т. к. отсутствуют вторая перекрестная связь.

Конструктивно дополнительная корректирующая связь может быть реализована и другими способами: выход корректирующего устройства подается на вход регулятору или на корректирующее устройство поступает сигнал по рассогласованию .

Рассмотрим объект управления с перекрестными связями по обоим каналам. Структурная схема система управления в этом случае имеет следующий вид:

Так как объект управления включает взаимно связанные регулируемые величины, то появляетсяW12(s), для компенсации влияния которой, вводимWД12(s).

Расчет системы и выбор динамических связей проводится аналогично предыдущему случаю.

Характерная особенность систем управления объектов со взаимносвязными регулируемыми величинами – появление дополнительных замкнутых на себя контуров преобразования сигнала. Система будет неустойчива, если хотя бы один из контуров будет неустойчивым. В рассматриваем случае, появился контур с положительной обратной связью.

При автоматизации сложных ТОУ приходится оценивать интенсивность взаимодействия подсистем.Оценка интенсивности взаимодействия подсистем позволяет систематизировать процедуру синтеза многосвязных АТК.

В результате анализа могут возникнуть следующие ситуации:

1). Для каждой управляемой выходной величины однозначно выбран управляющий параметр, матричная передаточная функция ТОУ диагональная либо квазидиагональная. матрица. В этом случае задача автоматизации решается с помощью набора автономных одноконтурных систем. Выбор управляющих воздействий производится на основе анализа функции чувствительности: ∂yi/∂μi =max.

2).Система автоматизации – многосвязная система управления.

3). Для каждого выхода нельзя однозначно выбрать управляющий вход или количество переменных управления не совпадает с количеством выходов. Решение задачи автоматизации выполняют ситуационные системы управления, в основе построения которых лежат логические алгоритмы, в том числе алгоритмы искусственного интеллекта.

27. Регулирование расхода. Основные схемы АСР.

Необходимость регулирования расхода возникает при автоматизации практически любого непрерывного процесса. АСР расхода предназначены для стабилизации возмущений по материальным потокам. Они являются неотъемлемой частью разомкнутых систем автоматизации технологических процессов. Для обеспечения заданного состава смеси или для поддержания материального и теплового балансов в аппарате применяют системы регулирования соотношения расходов нескольких веществ в одноконтурных или каскадных АСР. Характерные особенности систем регулирования расхода (СРР):

- малая инерционность объекта регулирования;

- наличие высокочастотных составляющих в сигнале изменения расхода. (Причина их возникновения - пульсации давления, которые вызваны работой насосов, или компрессоров, или случайными колебаниями расхода при дросселировании потока через сужающее устройство).

На рис. данапринципиальная схема объекта при регулировании расхода. 1-место установки сужающего устройства (точка измерения расхода), 2-регулирующий орган. Объект находится между точками 1 и 2. Длина этого участка составляет обычно несколько метров. Динамика канала «расход вещества через клапан — расход вещества через расходомер» приближенно описывается апериодическим звеном первого порядка с чистым запаздыванием. Время чистого запаздывания обычно составляет доли секунд для газа и несколько секунд — для жидкости; значение постоянной времени — несколько секунд.Объекта (1).

Приближенная оценка чистого запаздывания и постоянных времени отдельных элементов цепи показывает (рис.), что современныепервичные преобразователи расхода (2), построенные на принципе динамической компенсации, можно рассматривать как усилительные звенья.Исполнительное устройство (5) аппроксимируется апериодическим звеном первого порядка, постоянная времени которого составляет несколько секунд, причем быстродействие исполнительного устройства существенно повышается при использовании позиционеров. Импульсные пневматические линии, связывающиесредства контроля и регулирования (4). При больших расстояниях между элементами цепи необходимо по длине импульсной линии устанавливать дополнительные усилители мощности.

Объект малой инерционности => рабочая частота может оказаться выше максимальной, ограничивающей область нормальной работы промышленного регулятора, в пределах которой реализуются стандартные законы регулирования. За пределами этой области динамич. хар-ки регуляторов отличаются от стандартных => требуется введение поправок на рабочие настройки с учетом фактических законов регулирования.

Закон регулирования выбирается по требуемому качеству переходного процесса. Для регулирования расхода без статической погрешности в одноконтурных АСР применяютПИ-регуляторы. Если АСР расхода является внутренним контуром в каскадной системе регулирования, регулятор расхода может осуществлятьП-закон регулирования. При наличии высокочастотных помех в сигнале расхода применение регуляторов с дифференциальными составляющими в законе регулирования без предварительного сглаживания сигнала может привести к неустойчивой работе системы. Поэтому в промышленных АСР расхода применениеПД- илиПИД-регуляторов не рекомендуется.Три способа изменения расхода:

- дросселирование потока вещества через регулирующий орган, устанавливаемый на трубопроводе (клапан, шибер, заслонка);

- изменение напора в трубопроводе с помощью регулируемого источника энергии (например, изменением числа оборотов двигателя насоса или угла поворота лопастей вентилятора);

- байпасирование, т. е. переброс избытка вещества из основного трубопровода в обводную линию.

Регулирование расходапосле центробежного насоса осуществляется регулирующим клапаном, устанавливаемым на нагнетательном трубопроводе (рис. а).Регулирование расхода после поршневого насоса – используют байпассирование потока (рис. 6)., т.к. при работе регулятора клапан может закрыться полностью, что приведет к разрыву трубопровода.Регулирование расхода сыпучих веществ осуществляется изменением степени открытия регулирующей заслонки на выходе из бункера (рис. 4.4,а) или изменением скорости движения ленты транспортера (рис. 4.4,6). Измерителем расхода при этом может служить взвешивающее устройство, которое определяет массу материала на ленте транспортера.

Регулирование соотношения расходов двух веществ можно осуществлять по одной из трех схем.

1. При незаданной общей производительности расход одного вещества (рис. 4.5,a)G1 называемый «ведущим», может меняться произвольно; второе вещество подается при постоянном соотношении с первым, так что «ведомый» расход равенG1. Иногда вместо регулятора соотношения используют реле соотношения и обычный регулятор для одной переменной (рис. 4.5,6). Выходной сигнал реле 6, устанавливающего заданный коэффициент соотношения, подается в виде задания регулятору, обеспечивающему поддержание «ведомого» расхода.

2. При заданном «ведущем» расходе кроме АСР соотношения применяют и АСР «ведущего» расхода (рис. 4.5,в). При такой схеме в случае изменения задания по расходуG1 автоматически изменится и расходG2 (в заданном соотношении сG1).

28. Регулирование уровня. Влияние свойств гидродинамических процессов на выбор схем АСР уровня.

Уровень является косвенным показателем гидродинамического равновесия в аппарате. Постоянство уровня свидетельствует о соблюдении материального баланса, когда приток жидкости = стоку, и скорость изменения уровня = нулю. Когда в аппарате не происходят фазовые превращения (сборники, промежуточные емкости, жидкофазные реакторы), приток = расходу жидкости, подаваемой в аппарат, а сток = расходу жидкости, отводимой из аппарата. При изменении фазового состояния веществ, уровень является характеристикой не только гидравлических, но и тепловых и массообменных процессов, а приток и сток учитывают фазовые превращения веществ. Такие процессы протекают в испарителях, конденсаторах, выпарных установках, ректификационных колоннах и т. п. В общем случае изменение уровня описывается уравнением видаSdL/dt =Gвх —Gвых ±Go6, (4.1)

гдеS — площадь горизонтального (свободного) сечения аппарата;Gвх,Gвых—расходы жидкости на входе в аппарат и выходе из него;Gоб — количество жидкости, образующейся (или расходуемой) в аппарате в единицу времени. В зависимости от требуемой точности поддержания уровня применяют один из следующих двух способов регулирования:

1)позиционное регулирование, при котором уровень в аппарате поддерживается в заданных, достаточно широких пределахLн<L<Lв.

Такие системы регулирования устанавливают на сборниках жидкости или промежуточных емкостях (рис. 4.6). При достижении предельного значения уровня происходит автоматическое переключение потока на запасную емкость;

2)непрерывное регулирование, при котором обеспечивается стабилизация уровня на заданном значении, т. е.L=L°.

Важно регулирование уровня в теплообменных аппаратах, в которых уровень жидкости существенно влияет на тепловые процессы. В таких АСР для регулирования уровня без статической погрешности применяютПИ-регуляторы.

Три способа регулирования (при отсутствии фазовых превращений):

- изменением расхода жидкости на входе в аппарат (регулирование «на притоке», рис. 4.7,а);

- изменением расхода жидкости на выходе из аппарата (регулирование «на стоке», рис. 4.7,6);

-регулированием соотношения расходов жидкости на входе в аппарат и выходе из него с коррекцией по уровню (каскадная АСР, рис. 4.7,в);

Отключение корректирующего контура может привести к накоплению ошибки при регулировании уровня; так как вследствие неизбежных погрешностей в настройке регулятора соотношения расходы жидкости на входе и выходе аппарата не будут точно равны друг другу и вследствие интегрирующих свойств объекта [см. уравнение (4.1)] уровень в аппарате будет непрерывно нарастать (или убывать)

Если в аппарате происходят фазовые превращения, можно регулировать уровень изменением подачи теплоносителя (или хладагента), как это показано на рис. 4.8.

В таких аппаратах уровень взаимосвязан с другими параметрами (например, давлением), поэтому выбор способа регулирования уровня в каждом конкретном случае должен выполняться с учетом остальных контуров регулирования.

Регулирование уровняв аппаратах с кипящим (псевдоожиженным) слоем зернистого материала. Устойчивое поддержание уровня кипящего слоя возможно в достаточно узких пределах соотношения расхода газа и массы слоя. При значительных колебаниях расхода газа (расхода зернистого материала) наступает режим уноса слоя или его оседания. Поэтому к точности регулирования уровня кипящего слоя предъявляют особенно высокие требования. В качестве регулирующих воздействий используют расход зернистого материала на входе или выходе аппарата (рис. 4.9,а) или расход газа на ожижение слоя (рис. 4.9,6).

29. Регулирование давления.

30. Регулирование pH и параметров состава и качества.

Системы регулированиярН можно подразделить на два типа, в зависимости от требуемой точности регулирования. 1.позиционные системы регулирования, поддерживающиерН в заданных пределах:рНн=<рН=<рНв. 2.точное поддержаниерН на заданном значении. Для их регулирования используют непрерывные ПИ- или ПИД-регуляторы.

Общей особенностью объектов при регулированиирН является нелинейность их статических характеристик, связанная с нелинейной зависимостьюрН от расходов реагентов. На рис. показана кривая титрования, характеризующая зависимостьрН от расхода кислотыG1. На кривой можно выделить три характерных участка. Первый (средний), близок к линейному и характеризуется очень большим коэффициентом усиления. Второй и третий участки, обладают наибольшей кривизной.

На первом участке объект по своей статической характеристике приближается к релейному элементу. Это означает, что при расчете линейной АСР коэффициент усиления регулятора настолько мал, что выходит за пределы рабочих настроек промышленных регуляторов. Динамические характеристики аппаратов определяются процессом смешения и в аппаратах с перемешивающими устройствами достаточно точно описываются дифференциальными уравнениями 1-го порядка с запаздыванием. При этом, чем меньше постоянная времени аппарата, тем сложнее обеспечить устойчивое регулирование процесса, так как начинают сказываться инерционность приборов и регулятора и запаздывание в импульсных линиях.

На рис.1,а показан пример системы регулированиярН с двумя регулирующими клапанами. Клапан 1, обладающий большим условным диаметром, служит для грубого регулирования расхода и настроен

на максимальный диапазон изменения выходного сигнала регулятора [хрн ,хрв] (рис. 16, кривая 1). Клапан 2, служащий для точного регулирования, рассчитан на меньшую пропускную способность и настроен таким образом, что прихр =хр0+ ∆он полностью открыт, а прихр =хр0 - ∆ —полностью закрыт (кривая 2). Таким образом, при незначительном отклонениирН отрН°, когдахр0 - ∆ =<хр =<хр0 + ∆ степень открытия клапана 1 практически не изменяется, и регулирование ведется клапаном 2. Если |хр -хр°| > ∆, клапан 2 остается в крайнем положений, и регулирование осуществляется клапаном 1.

На втором и третьем участках статической характеристики ее линейная аппроксимация справедлива лишь в очень узком диапазоне изменениярН, и в реальных условиях ошибка регулирования за счет линеаризации может оказаться недопустимо большой. В этом случае более точные результаты дает кусочно-линейная аппроксимация (рис. 2), при которой линеаризованный объект имеет переменный коэффициент усиления:

k =k0 прирН <=рН° — ∆;k1 =k2 прирН >= рН° +∆;k =k0 при |рНрН°| <= ∆.

На рис. 3 приведена структурная схема такой АСР. В зависимости от рассогласования ∆рН, включается в работу один из регуляторов, настроенный на соответствующий коэффициент усиления объекта.

31. Общие требования к системе ПАЗ.

Все опасные производственные объекты металлургического производства должны быть оснащены системами противоаварийной защиты (ПАЗ), блокирующими или деблокирующими технологический процесс при достижении предельно допустимых значений контролируемых параметров, предусмотренных организацией-изготовителем или проектной документацией.

Выбор оптимальных методов и средств защиты, разработка последовательности срабатывания элементов системы защиты, мер локализации и предотвращение развития аварий осуществляется проектировщиком и утверждается эксплуатирующей организацией.

Надежность и время срабатывания системы ПАЗ определяются разработчиками системы с учетом требований технологической части проектной документации.

Нарушение работы системы управления не должно влиять на работу системы ПАЗ.

Системы ПАЗ должны исключать их срабатывание от случайных и кратковременных сигналов нарушения нормального хода процесса, в том числе и в случае переключений на резервный или аварийный источник электропитания.

Для технологических объектов с блоками I категории взрывоопасности необходимо предусматривать электронные системы ПАЗ с самодиагностикой и световой индикацией исправного состояния. Для систем ПАЗ объектов с блоками II-III категорий взрывоопасности предусматриваются средства и методы периодического контроля исправного состояния этих систем.

При выборе системы ПАЗ и их элементов для технологических объектов с блоками I категории взрывоопасности должны применяться резервируемые электронные и микропроцессорные системы.

Надежность систем ПАЗ должна обеспечиваться аппаратурным резервированием различных типов (дублированием), временной и функциональной избыточностью и наличием систем диагностики и самодиагностики. Достаточность резервирования и его тип обосновываются при проектировании в проектной документации. Ручное деблокирование в системах ПАЗ не допускается.

Автоматическая система ПАЗ на базе средств вычислительной техники должна обеспечивать:

- постоянный контроль за параметрами процесса;

- регистрацию срабатывания и контроль за работоспособным состоянием средств ПАЗ;

- постоянный анализ изменения параметров в сторону критических значений и прогнозирование возможной аварии;

- действие средств управления и ПАЗ, прекращающих развитие опасной ситуации;

- действие средств локализации аварийной ситуации.

32. Информационный обмен данными в системах автоматизации.

Промышленная сетьсеть передачи данных, связывающая различныедатчики,исполнительные механизмы,промышленные контроллеры и используемая в промышленнойавтоматизации. Термин употребляется преимущественно в автоматизированной системе управления технологическими процессами (АСУТП). Описывается стандартомIEC 61158.

Устройства используют сеть для:\

1)передачи данных, между датчиками,контроллерами и исполнительными механизмами

2)диагностики и удалённого конфигурирования датчиков и исполнительных механизмов

3)калибрования датчиков

4)питания датчиков и исполнительных механизмов

5)связи между датчиками, исполнительными механизмами,ПЛК иАСУ ТП верхнего уровня

В промышленных сетях для передачи данных применяют:

1)электрические линии;

2)волоконно-оптические линии;

3)беспроводную связь (радиомодемы иWi-Fi).

Промышленные сети могут взаимодействовать с обычнымикомпьютерными сетями, в частности использовать глобальную сетьInternet.

Терминполевая шина является дословным переводом английского терминаfieldbus. Терминпромышленная сеть является более точным переводом и в настоящее время именно он используется в профессиональной технической литературе.

Виды промышленных сетей:

Физический уровень на базеасинхронного интерфейса:

1)Modbus — один из самых известных открытых стандартов промышленных сетей.

2)P-NET — Электрическая спецификация P-NET основана на стандартеRS-485.

Промышленный Ethernet

1)Profinet

2)FOUNDATION Fieldbus HSE (High Speed Ethernet) (FF H2) —вариантпромышленного Ethernet,разработанныйFOUNDATION Fieldbus (FF)

3)HART — стандарт передачи данных черезтоковую петлю 4-20мА.

ProfiBus — промышленная сеть, международный стандарт, созданный с активным участием фирмыSiemens AG, содержащий ряд профилей, например:

Физически Profibus может представлять собой:

1)электрическую сеть сшинной топологией, использующую экранированную витую пару, соответствующую стандартуRS-485;

2)оптическую сеть на основе волоконно-оптического кабеля;

3)инфракрасную сеть.

Скорость передачи по ней может варьироваться от 9,6 Кбит/сек до 12 Мбит/сек.

Основные понятия и определения, связанные с управлением производственными процессами: автоматизация, управление производственным процессом, системы управления, технологический объект управления на http://mirrorref.ru


Похожие рефераты, которые будут Вам интерестны.

1. Автоматизированные системы управления производственным предприятием

2. Персонал организации как объект управления. Кадровое, информационное, техническое и правовое обеспечение системы управления персоналом

3. Система учета затрат по видам деятельности и системы управления производственными затратами

4. SCADA-системы. Автоматизированная система управления технологическим процессом

5. РАЗРАБОТКА АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМ ПРОЦЕССОМ ПРОИЗВОДСТВА КВАСА

6. Основные стратегии управления миграционными процессами в РФ ив мире

7. Разработка устройства для удаленного управления звуковой информацией на выходе смартфона под управлением операционной системы Android

8. Обобщенная схема системы автоматизации и управления (САиУ) техническими объектами и технологическими процессами

9. ВВЕДЕНИЕ В ЭКСПЕРТНЫЕ СИСТЕМЫ. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ

10. Личность как объект управления и самоуправления. Лидерство и стили управления

5 stars - based on 250 reviews 5