Горенский Б.М. (рук.) Информационные технологии в металлургии

Подождите немного. Документ загружается.

Информация в АСУ ТП



При автоматизации производственных процессов возникает задача

поддержания на определенном уровне или изменения по определенной про-

грамме одной или нескольких технологических величин. Для управления ме-

таллургическими процессами необходимо располагать данными о начальных

условиях производства (параметры сырья, топлива, характеристики агрегатов

и т.д.), состоянии процесса и конечных его результатах.

Под информацией в широком смысле слова понимают сведения об ок-

ружающем мире, которые мы получаем в результате взаимодействия с ним,

приспособлении к нему и изменении его в процессе этого взаимодействия.

Различают два вида информации: априорную информацию, известную до на-

чала процесса (чертежи агрегата, ГОСТы на готовую продукцию, технологи-

ческие инструкции) и рабочую информацию, получаемую в ходе технологи-

ческого процесса. Если бы все необходимые данные для управления процес-

сом были известны заранее, то в получении рабочей информации не было бы

необходимости. Однако металлургическим процессам, как и всяким сложным

физическим системам, заведомо присуща определенная степень неупорядо-

ченности. Поэтому только априорной информации недостаточно для управ-

ления процессами.

Для решения задач управления необходимо, во-первых, измерять физи-

ческую величину (давление, температуру, концентрацию и т.д.), во-вторых,

сравнивать измеренное значение с заданным и, в-третьих, воздействовать на

технологический процесс таким образом, чтобы разность между измеренным

и заданным значениями регулируемых величин (давление, температура, кон-

центрация и т.д.) была наименьшей.

Чем больше неопределенность системы, тем ценнее информация, кото-

рую мы получаем, и тем выше отдача от использования этой информации в

системе управления. Информация может существовать в двух формах: не-

прерывной и дискретной. В непрерывном сигнале постоянно, т.е. для любого

момента времени, присутствуют сообщения. У дискретного сигнала ампли-

туда может принимать определенное конечное число значений. Поэтому пе-

реход от непрерывного сигнала к дискретному приводит к округлению, то

есть замене текущего значения амплитуды сигнала ближайшей дискретной

величиной из числа разрешенных к использованию. Такое свойство сигнала

называется дискретностью по величине. Преобразование информации вы-

полняется по определенным правилам, выражающим связь между входной и

выходной величинами.

При использовании вычислительных машин в системах автоматизиро-

ванного управления решающую роль играет их быстродействие. Следует от-

метить также удобство регистрации данных в цифровой форме, что способ-

ствовало применению цифровых машин в системах, связанных с обработкой

информации.

Мера и носители информации. Ценность информации зависит от не-

определенности системы: чем больше неопределенность системы, тем ценнее

информация. Мерой неопределенности процесса является энтропия Н:

,lnlog

BppH









где: p

- вероятность появления соответствующего события; n - число воз-

можных состояний системы.

Информация, полученная в ходе процесса, позволяет уменьшить эн-

тропию системы, поэтому количественной оценкой информации может слу-

жить уменьшение энтропии системы вследствие получения новых сведений.

Количество информации определяется так:

,/ln

00 kk

BBaHHI









где Н

- начальная энтропия системы; H

- энтропия конечная; а - постоянный

коэффициент; В

- начальная, B

- конечная неопределенность системы.

Количественная оценка информации позволяет сопоставлять ценность

полученных сведений о процессе с затратами на получение этих сведений.

По мере роста количества информации растет стоимость ее получения

и уменьшается приращение эффективности от ее использования на каждый

рубль вложенных в покупку средств ВТ и создания систем автоматизации.

Поэтому наращивание сложности системы автоматического контроля и

управления целесообразно до тех пор, пока срок окупаемости систем не пре-

вышает нормативных показателей.

Поясним это графически (рисунок 4).

Эmax

Эo

I бит

К руб

Рис. 4 - Зависимость эффективности производственного процесса от количества полу-

ченной информации: Э

max

- максимально достижимая эффективность, соответствует

полной информации, I

- начальная информация, Э

- начальная эффективность, соот-

ветствующая начальной информации.

По мере возрастания количества информации эффективность системы

от ее использования возрастает, приближаясь к максимальной. Заштрихован-

ная область показывает потери от неупорядоченности процесса.

Для хранения и отображения информации в системах управления могут

использоваться следующие носители информации: машинописный текст, ис-

пользуемый для хранения информации, представленной в виде отчетов, таб-

лиц, актов производственных испытаний; стационарные носители информа-

ции на перфолентах, перфокартах; носители информации на магнитных лен-

тах дисках, барабанах; полупроводниковые носители информации в ОЗУ и

ПЗУ; видеоносители информации, к которым относятся дисплеи, мнемосхе-

мы, и т.д.

Вид носителя информации выбирается в зависимости от требований,

предъявляемых к системе управления, объема информации, наглядности ее

представления, условий формирования и т.д.

Преобразование информации в различных устройствах АСУ ТП.

Для связи реальных объектов с УВМ используются преобразователи инфор-

мации из аналоговой формы в цифровую и из цифровой в аналоговую. Пер-

вую группу устройств называют преобразователями аналог-код. Эти уст-

ройства служат для преобразования исходной аналоговой величины в соот-

ветствующий ей код, являющийся выходной величиной преобразователя. Та-

ким образом, преобразователь аналог-код обеспечивает квантование выход-

ной величины как по уровню, так и по времени.

Вторую группу устройств называют преобразователями код-аналог.

Эти устройства необходимы для создания выходной аналоговой величины,

соответствующей коду, поступающему на вход преобразователя из цифро-

вой машины.В частности, если на вход преобразователя подан цифровой код,

то выходная аналоговая величина будет ему пропорциональна. При этом

аналоговая величина воспроизводится только в дискретные моменты време-

ни и получается ступенчатой с заданным минимальным шагом по уровню.

При преобразовании аналоговой величины в цифровой код исходная

аналоговая величина часто подвергается многократному преобразованию из

одной аналоговой формы в другую, (неэлектрическая величина - давление,

температура, перемещение - преобразуется в электрическую; электрическая

величина одного уровня - в электрическую же величину другого уровня с

помощью усилителей, делителей напряжения, нормализаторов), после чего

она поступит на преобразователь аналог-код, называемый аналого-цифровым

преобразователем (АЦП).

Эти промежуточные преобразования выполняются для облегчения вы-

явления, передачи или запоминания информации.

Во второй группе преобразователей код-аналог, которые называются

цифро-аналоговыми преобразователями (ЦАП), выходная величина также

многократно пропускается через преобразователь код-аналог-аналог. Данные

преобразования выполняются до тех пор, пока выходная аналоговая величи-

на не будет выражена в нужной форме и не достигнет значения, наиболее

подходящего дл« использования в системе управления.

Автоматизированные системы управления включают в состав перифе-

рийного оборудования вспомогательные периферийные устройства, в кото-

рые входят усилители, делители напряжения, нормализаторы, АЦП и ЦАП.

Под цифровым кодированием информации понимают получение по оп-

ределенной системе правил числового значения квантованной величины в

виде комбинаций цифр.

Процесс, включающий в себя в общем случае дискретизацию, кванто-

вание и кодирование непрерывной входной величины, называют аналого-

цифровым преобразованием.

АЦП применяют для ввода измерительной информации, представлен-

ной в виде аналоговых сигналов в устройствах, работающих с дискретной

(цифровой) информацией (например, ЭВМ).

Необходимое быстродействие АЦП определяется главным образом

скоростью изменения входной непрерывной величины и может быть доста-

точно высоким. При этом, как правило, не требуется высокая точность пре-

образований, что позволяет без существенного усложнения конструкции

АЦП повысить его быстродействие.

Методы передачи информации. Для передачи информации применя-

ют специальные каналы связи между датчиками и ЭВМ.

Каналом связи называют совокупность технических средств, предна-

значенных для передачи сообщения на расстояние независимо от других ка-

налов.

Одну линию связи можно использовать для организации нескольких

каналов. Количество каналов связи, образуемых на одной линии, определя-

ется полосой пропускания, а также спектрами и наличием помех в линиях

связи.

Для передачи информации необходимо иметь на входе канала передат-

чики, а на выходе приемники сообщений. Передача информации может быть

как одноканальная, так и многоканальная.

Многоканальные методы передачи информации. Из-за высокой

стоимости аппаратуры, особенно кабелей связи, стараются уплотнить каналы

связи. Линии связи, по которым организуются несколько каналов связи, на-

зываются многоканальными линиями связи.

При многоканальной линии связи передающее устройство выполняет

функции уплотнения линий связи, а приемное устройство выполняет функ-

ции разделения вторичных сигналов.

Для разделения сигналов необходимо, чтобы сигналы различных кана-

лов отличались некоторыми признаками, получившими название отличи-

тельных. Разделение сигналов может быть осуществлено по времени, часто-

те, фазе, амплитуде.

При частотном разделении сигналов число каналов на одну линию

связи достигает десятков и сотен.

Электрический сигнал (рисунок 5) поступает на свой модулятор М, на

который также подается несущий сигнал фиксированной частоты от вспомо-

гательного генератора Г.

На выходе модулятора М, для устранения высших гармонических со-

ставляющих, ставится фильтр Ф. На приемном конце, сигнал каждого канала

выделяется полосовым фильтром Ф, который пропускает рабочую полосу

частот только своего канала.

С полосового фильтра Ф

сигнал поступает на демодулятор Д

, после

этого - на выходной прибор ВП

. Ввиду сложности изготовления значения

интервала частот в заданном частотном спектре, то есть необходимо, чтобы

выбранные частоты не перекрывались. Это условие приводит к низкой эф-

фективности использования линий связи, так как по одной линии связи мож-

но организовать всего несколько десятков каналов.

При временном разделении сигналов происходит поочередное синхрон-

ное подключение передающего П и приемного П

устройств к линии связи.

При этом сигнал поступает на передающее устройство, находящееся в начале

линии, и синхронно с ним подключается приемное устройство на приемном

конце линии связи.

высокоизбирательных узкополосных фильтров приходиться выбир

Рис. 5 - Структурная схема частотного разделения сигналов

Линия

связи

ВП

Для присоединения передающего и приемного концов линии исполь-

зуются распределители Р

и Р

(рисунок 6).

Время цикла или период работы распределителя и длительность пере-

дачи сигнала в одном из каналов связаны соотношением



> N,

где N - число каналов;



- длительность передачи сигнала в одном канале, Т

- время цикла.

При временном разделении сигналов необходимо учитывать замкнутые

временные интервалы. Они складываются из двух слагаемых:



зу



зр,

где



зу

- время установившегося процесса передачи и приемки;



зр

- время

возможного рассогласования двух распределителей по фазе.

Время цикла определяется следующим выражением:

= N · (



Принимаемый сигнал после прохождения в приемник через фильтр

достаточно хорошо соответствует передаваемому сообщению, если частоты

переключателя распределителя P

не меньше определенной величины:

Рис. 6 - Структурная схема временного разделения сигналов

Линия

связи

Пер

Пр

ВП

Пр

ВП

Пер

Пр

ВП

= 1 / Т

В устройствах с реальными фильтрами интервалы выбираются в не-

сколько раз меньшими, чем

∆t = l / 2F

Тогда время работы в одном канале можно рассчитать как



= Т

/ K · N,

где К - коэффициент запаса, равный 1,3 для частот от 0,1 до 10 Гц. При раз-

делении сигналов по фазе необходимо создавать временной сдвиг между со-

общениями, поступившими от разных источников сигналов (информации).

Широко применяются следующие способы синхронизации работы рас-

пределителей:

Пошаговый способ. Сущность его состоит в том, что каждый очередной

импульс вызывает продвижение распределителей в передатчике и приемнике

на один шаг. Недостатком этого способа является пониженная помехоустой-

чивость, обусловленная возможным попаданием импульса или сбоем чередо-

вания импульсов.

Циклический способ. Распределитель производит переключение кана-

лов от специальных так называемых местных генераторов, работающих со

стабильной частотой. Запуск генераторов в работу осуществляется синхрон-

ным импульсом и начинается с первой позиции. Распределитель обегает все

позиции от первой до последней и останавливается перед первой. Следую-

щий цикл обегания начинается от следующего синхронизирующего импуль-

са. Данный способ по сравнению с пошаговым обладает лучшей помехо-

устойчивостью.

Инерционный способ. Синхронизирующие импульсы посылаются цик-

лически, но распределитель не останавливается в конце цикла, а продолжает

работу (обегание) дальше.

Помехи. Методы борьбы с помехами. Помехой называют напряже-

ние, накладываемое на полезный сигнал, снимаемый с датчика и приводящее

к искажению информации о состоянии объекта управления.

Помехи приводят к неверной оценке текущего состояния объекта и вы-

зывают принятие управляющих сигналов, способствующих дестабилизации

работы объекта управления или автоматизируемого технологического про-

цесса.

Помехи могут накладываться как на аналоговые, так и на цифровые

(импульсные) сигналы и возникать как в местах получения информации (в

датчиках), так и в каналах связи при передаче информации от датчиков к вы-

числительной машине.

Различают в основном два вида напряжений помех: 1) противофазные

паразитные напряжения, которые подключены к последовательно измеряе-

мому напряжению и накладываются на сигнал, характеризующий процесс; 2)

синфазные паразитные напряжения, которые влияют на обе сигнальные ли-

нии и приводят к появлению одинакового напряжения, помех на обеих вы-

ходных клеммах измерительного канала относительно заземления ЭВМ.

Подавление помех, может осуществляться за счет мер, препятствую-

щих образованию напряжения помех и за счет фильтрации и сглаживания

сигналов, содержащих помехи.

Наибольшее распространение получил первый способ, который реали-

зуется с помощью следующих мер:

- выполнение кабельной связи в специальных каналах (прокладка всех ли-

ний в стальных трубах и т.д.);

- пространственное разделение линий (измерительные линии и токоведу-

щие кабели не должны прокладываться в одной трубе);

- скручивание проводников - защита от воздействия взаимных индуктивных

помех;

- экранирование;

- разделение потенциалов с помощью соответствующих приборов и ПУ;

- заземление с защитным контуром для отвода молний, токов утечки и т.д.;

- рабочее заземление для обеспечения функционирования системы.

Одним из высокоэффективных средств борьбы с помехами при переда-

че информации как цифровой, так и аналоговой, являются различные спосо-

бы передачи кодов.

Кодовые команды могут представляться по-разному: с повторением, с

использованием обратного канала и др. Это зависит от количества помех.

Передача с повторением. Во многих случаях в каналах связи имеются

резервы для передачи информации. В таких случаях осуществляется повто-

рение передаваемых кодов. На приемнике можно сличить кодовые комбина-

ции и определить их достоверность. Возможно кроме двойного тройное по-

вторение кодов. Выбор правильной комбинации в последнем случае осуще-

ствляется методом совпадения голосования: если две из трех команд совпали,

то они и считаются правильными. Перечисленные способы передачи требуют

наличия только одного прямого канала.

Передача кодов с использованием обратных связей требует наличия

обратного канала. Системы с обратными связями принято разделять на ин-

формационные и решающие.

Во-первых, сигнал запоминается по передающей стороне и передается

в линию связи, а затем с приемной стороны по каналу обратной связи пере-

дается назад на передатчик и сличается с оригиналом. Если есть ошибка, то

по прямому каналу передается сигнал на стирание ранее переданного сооб-

щения. Если ошибки нет, то дается команда на использование ранее принято-

го кода (сигнала).

Во-вторых, решение о правильности переданного кода принимается на

приемной стороне. Обратная связь в этом случае используется при обнару-

жении ошибки. Если ошибка обнаружена, то по каналу обратной связи пере-

дается запрос на повторный код операции.

Представление информации оператору. При решении различных за-

дач автоматизации исходные данные необходимо представлять в виде, при-

годном как для использования оператором-технологом, так и непосредствен-

но в машине. Для того чтобы эти данные можно было применять в системах

управления, их приходится подвергать всевозможным преобразованиям.

Процесс преобразования исходной информации в форму, пригодную

для дальнейшего использования, включает получение информации от датчи-

ков и получение информации от ЭВМ.

Сбор информации от датчиков осуществляется с помощью следующих

технических устройств:

 получения информации (датчики, концевые выключатели и т.д.);

 подготовки информации (преобразователи вида сигналов, усилители,

нормализаторы);

 ручного ввода информации (датчики, клавиатура).

Получение информации от ЭВМ реализуется с помощью следующих

технических устройств: УВМ, включенная в контур управления; линии связи

с другими ЭВМ; механические знакопечатающие устройства; графопострои-

тели; немеханические знакографические регистрирующие устройства.

Датчики для непосредственного получения информации образуют из-

мерительные устройства. Преимущества УВМ можно полностью использо-

вать лишь в том случае, когда на ее вход подается информация, измеренная в

цифровой или дискретной форме. С этой целью операторские пульты долж-

ны комплектоваться устройствами для преобразования аналоговой информа-

ции в цифровую.

Устройства для выдачи и использования информации подразделяют

на устройства использования информации оператором (ручные) и автомати-

ческие устройства использования информации.

Выдача информации может производиться с помощью следующих уст-

ройств:

 регистрирующие (механические и немеханические) - самописцы, зна-

копечатающие устройства, графопостроители, дисплеи, световые табло;

 индикаторные (стрелочные индикаторы, цифровые приборы);

 звуковой сигнализации.

Устройства для использования информации подразделяют на устройст-

ва ручного регулирования (рукоятки, переключатели, контроллеры и т.д.) и

устройства автоматического воздействия на процесс (вентили, дроссели, за-

слонки, электронные исполнительные механизмы).

Устройства для использования информации в большинстве случаев

сложны и состоят из нескольких каскадов или устройств. Исполнительные

механизмы состоят из исполнительного привода и исполнительного органа.

Для практического использования полученной информации необходи-

мо построить алгоритм обработки информации.

Лекция 4. Использование информационных технологий для контроля

технологических параметров. Использование информационных технологий

для контроля температуры, уровня расплава, состояния футеровки металлур-

гических агрегатов. Использование информационных технологий для полу-

чения информации, которую нельзя добыть, используя стандартные средства

измерений; получение информации об использовании информационных тех-

нологий для контроля температуры, уровней расплавов и т.д

Расчет управляющих воздействий, диагностика и прогнозиро-

вание состояния технологического агрегата

Расчет управляющих воздействий с позиций системного подхода дол-

жен учитывать не только текущее состояние объекта управления (ОУ), но

также должен производиться исходя из следующих факторов:

 диагностика состояния основных технологических параметров при на-

личии отклонений за нормальные и допустимые пределы, должна произво-

диться оценка причин, повлиявших на отклонение параметров, и эта инфор-

мация должна учитываться при расчете управляющих воздействий;

 прогнозирование изменения параметров во времени в результате при-

ложенного управления.

Математическая модель контроля температуры в ванне РТП

Операции по выработке и применению решений по управлению в со-

временных АСУ ТП основаны на математической формулировке задачи

управления и математическом описании процесса.

Наиболее полное описание объекта управления может быть получено

построением динамической модели, основанной на анализе основных физи-

ко-химических

превращений, характеризующих технологический процесс.

Такая математическая модель даёт возможность вскрыть основные количест-

венные и качественные закономерности процесса и может быть использована

не только для решения задачи управления, но также и для оптимального про-

ектирования технологического процесса, агрегата и системы управления

процессом. Однако ввиду сложности получающегося при этом математиче-

ского описания

при решении задачи оперативного управления больший ин-

терес представляют простые в структурном отношении модели, составлен-

ные на базе формальных математических выражений (полиномов), построе-