Пьявченко Т.А., Финаев В.И. Автоматизированные информационно-управляющие системы

Подождите немного. Документ загружается.

111

экономической эффективности, для чего используются существующие

средства и методы управления технологическим объектом, количество

обслуживающего персонала и его зарплата. Материалы исследований

на первом этапе отражаются в научно-технических отчетах, а

окончательным результатом является техническое задание (ТЗ) на

проектирование АСУТП, которое должно содержать:

- перечень функций АСУТП с их краткой характеристикой;

- необходимые точность, быстродействие по каждой функции и их

совокупностям;

- показатели надежности;

- режимы функционирования;

- совместимость, при необходимости, данной АСУ со смежными;

- условия эксплуатации;

- метрологические характеристики измерительных каналов;

- эргономические требования по способам и форме представления

информации оператору;

- требования к численности и квалификации оперативного и

обслуживающего персонала АСУТП.

На этапе технического проектирования завершается вся НИР,

проводится параметрическая идентификация объекта, т.е.

определяются неизвестные параметры его модели; формируются

алгоритмическая и техническая структуры системы; разрабатываются

задания на устройства и оборудование, не выпускаемые серийно;

разрабатываются машинные алгоритмы, реализующие функции

АСУТП и моделирования технологического объекта управления. Этап

заканчивается подготовкой технического проекта.

На этапе рабочего проектирования разрабатываются несерийные

технические средства и оформляются на них рабочие чертежи;

выполняются рабочие чертежи на строительство и сочление

технических средств с объектом; заканчивается разработка рабочих

программ для ЭВМ и составляются рабочие документы по

программному обеспечению. Этап завершается выпуском рабочего

проекта, содержащего все необходимые материалы для комплектации

системы, изготовления несерийных технических средств, проведения

монтажа и наладки системы.

Третий этап включает в себя комплектацию системы, проведение

строительных работ, монтаж и её наладку. После чего следуют

испытания и сдача системы в опытно-промышленную и

промышленную эксплуатации. Затем проводится анализ

112

функционирования АСУТП, в результате которого выполняется

оценка фактической технико-экономической эффективности системы,

её надежности, разрабатываются рекомендации по развитию и

совершенствованию системы, вырабатываются требования к

модернизации технологического процесса.

1.7. Характеристики технологического процесса как объекта

контроля и управления

По своему характеру ТП может быть непрерывным, периодическим

(непрерывно-дискретным) и дискретным.

Непрерывный процесс – процесс, в котором конечный продукт

вырабатывается, лишь пока подводятся сырьё, энергия, катализаторы,

управляющие воздействия и пр. (например, процесс

нефтепереработки).

Периодический процесс – процесс, в котором в течение

относительно короткого промежутка времени производится

определенное, ограниченное количество конечного продукта. Сырье и

полуфабрикаты вводятся регламентированными дозами в строгой

последовательности, операции перемешивания и подачи энергии

осуществляются в заданном порядке. После подготовки “рецептуры”

получается порция конечного продукта. Примерами могут быть такие

процессы, как доменный процесс выплавки чугуна,

процесс получения

определенного вида лекарств и т.п.

Дискретный процесс – процесс изготовления и испытания деталей,

узлов и готовых изделий. Конечный продукт состоит из набора

компонент, качество которых нужно контролировать так, чтобы

конечный продукт – результат сборки отвечал заданным стандартам

(сборка телевизора, автомобиля и пр.). При выборе стратегии

управления должны быть учтены характеристики ТП, а также

функции, которые будут заложены в проектируемую

систему.

При изучении ОУ вся снимаемая с объекта информация разделяется

на аналоговую и дискретную в зависимости от типов используемых

датчиков. Необходимо как по одному, так и по другому типу

заполнить таблицы [57 - 59], поместив в них всю информацию по

каждому измеряемому параметру.

По аналоговым сигналам заносится наименование переменной с

указанием функции, которую

эта переменная должна выполнять. Далее

113

– единица измерения, диапазон изменения, требуемая точность

контроля или управления (регулирования), период опроса указанной

переменной. После выбора датчика таблицу следует дополнить

уровнем и типом сигнала на его выходе. Пример заполнения

информации по аналоговым сигналам показан в таблице 3.

К дискретным сигналам относятся сигналы от двухпозиционных

объектов контроля, характеризуемых двумя состояниями: «Включено -

выключено

», «В пределах – вне пределов», сигналы прерывания от

инициативных датчиков, числоимпульсные сигналы, используемые

при вводе информации от счетчиков электроэнергии, интеграторов-

расходомеров, дозаторов и т.п. По перечисленным сигналам обычно

указывается уровень дискретного сигнала и частота следования [57].

1.8. Функции АСУТП как последовательность отдельных

процессов

Функции АСУТП выбираются из списка, в котором они

сгруппированы по своему назначению, например, для контроля,

управления, исследования, планирования и т.д. Функция

представляется в виде последовательности трех процессов: ввода

(сбора) данных, обработки и вывода результатов.

Процесс ввода характеризуется:

- числом и видом каналов;

- периодом или математическим ожиданием частоты опроса

каналов;

- допустимым временем задержки ввода по одному каналу;

- требуемой точностью представления данных.

Процесс обработки характеризуется:

- временем использования процессора для реализации операции

ввода;

- периодом или математическим ожиданием вызова параметров;

Таблица 3

Пример заполнения таблицы по аналоговым сигналам

Наименование

физической

переменной

Функция Единица

измерения

Диапазон

изменения

физической

переменной

Требуемая

точность

Тип датчика Уровень и тип

сигнала на

выходе

датчика

Температура Регулируемая

переменная

C 1000 - 1300 ±5

C Термопара

ТПП

0 – 15 мВ

Угол поворота

заслонки

Управляю-

щее

воздействие

Угловой

градус

0 – 90

±1% Датчик

положения

0 – 5 мА

- объемом памяти, занимаемым программами обработки и

подготовки для вывода;

- временем использования процессора для реализации вывода;

- видами обработки;

- временем обработки одного параметра, которое может быть

оценено по объему памяти, занимаемому программами обработок, и

производительности процессора, используемого в УВК.

Вывод обработанных данных (аналоговых, дискретных,

символьных) на объект управления и оператору характеризуется:

- объемом выводимой информации;

- допустимым временем задержки устройств;

- объемом памяти программ вывода;

- периодом или математическим ожиданием интервала между

выводами.

Перечисленные характеристики получают в процессе изучения

объекта управления. Например, достаточно широкий класс объектов c

непрерывным и непрерывно-дискретным характером производства

имеет следующие пределы изменения основных показателей:

- количество входных аналоговых сигналов - 150-3000;

- количество входных дискретных сигналов - 200-2000;

- количество регулирующих органов - 10-200;

- количество выходных двухпозиционных сигналов - 100-1000; .

- объем информации, выдаваемой на индикацию и регистрацию,

250-1600 бит/с;

- время реакции системы на изменения состояния объекта, 0,1-10с;

- наработка на отказ функций, реализуемых в системе, 100 - 10000,

ч.

Данные по реализуемым функциям удобно сводить в таблицу,

подобную табл. 4. После исследования ТП и изучения процессов

контроля и управления правый столбец табл. 4 должен быть заполнен

числовыми значениями параметров, указанных в её центральной части.

Более подробную информацию по заполнению табл. 4 можно найти в

учебно-методическом пособии [57].

После изучения технологического процесса как

объекта управления

и анализа функций проектируемой АСУТП приступают к реализации

этапов разработки системы, которая в силу своей сложности обычно

представляется в виде ряда подсистем таких, как подсистема сбора и

первичной обработки информации, подсистема управления и выдачи

116

управляющих воздействий, подсистема формирования сводных

показателей, подсистема регистрации и анализа производственной

ситуации.

Таблица 4

Функции контроля и управления

Наимено-

вание

процесса

обработки

Наименование характеристик ТП

Число-

вые

данные

Процесс

ввода

информа-

ции в УВК

Способ получения входной информации:

- обращение за параметрами к выходу алгоритма

первичной обработки информации;

- использование самостоятельного ввода

Характеристики входной информации:

Аналоговая информация:

- количество вводимых аналоговых параметров;

- период между опросами датчиков;

- процедуры первичной обработки;

- диапазон изменения входных параметров;

- требуемая точность представления данных;

- уровень сигнала на входе

Цифровая информация:

- количество дискретных входных параметров;

- частота поступления дискретных сигналов;

- уровень сигнала: "1"- истинно, "О"- ложно

Процесс

обработки

Используемые виды законов регулирования и

количество контуров с одинаковым законом:

- одноконтурное регулирование;

- многоконтурное регулирование

Виды оптимизации: критерий управления; модель

ОУ; алгоритм прогноза по управлению

Процесс

вывода

Способы выдачи управляющих воздействий:

- аналоговые выходные сигналы: число сигналов,

частота смены управляющего воздействия,

точность представления аналогового сигнала;

дискретные выходные сигналы: число сигналов,

средняя частота выдачи, требуемая мощность;

сигналы для дистанционного управления:

объем выдаваемой информации (совета); частота

смены сигнала

117

Окончание табл. 4

Наимено-

вание

процесса

обработки

Наименование характеристик ТП

Число-

вые

данные

Оценка

надежности

Требование ТЗ к надежности системы:

- понятие отказа одного контура регулирования;

- понятие отказа системы;

- время реакции системы на изменение ситуации на

объекте

Расчет ТЭП Наименование ТЭП, формулы расчета,

стоимостные характеристики параметров

118

2. ПОДСИСТЕМА СБОРА И ПЕРВИЧНОЙ ОБРАБОТКИ

ИНФОРМАЦИИ

2.1. Комплекс технических средств подсистемы сбора и

первичной обработки информации. Принципы компоновки

Как уже отмечалось, подсистема сбора и первичной обработки

информации предназначена для опроса аналоговых и дискретных

датчиков с обработкой и анализом информации об объекте

управления. Исходными данными для определения структуры

подсистемы контроля является совокупность измеряемых переменных

ТП и оборудования, набор измерительных устройств, которые могут

быть использованы в качестве источников исходной информации.

Комплекс

технических средств ввода аналоговых сигналов в

управляющий компьютер подбирается в зависимости от вида

измеряемой физической переменной, от удаленности датчиков, вида и

уровня выходных сигналов датчиков. В каналах измерения, помимо

датчиков, должна присутствовать следующая аппаратура:

нормализаторы (Н), преобразователи физических сигналов в ток или

напряжение (П), усилители (У), аппаратные RC-фильтры (Ф),

преобразователи

аналоговых сигналов в цифровые коды (АЦП),

коммутаторы (mux). Принципы компоновки технических средств

ввода аналоговой информации представлены на рис. 25, на котором

датчики объединены в три группы.

В первую группу собраны удаленные на значительное расстояние

от промышленного компьютера (ПК) датчики D

,…,D

предназначенные для сбора информации о технологических

параметрах одной физической природы. Вторая группа – датчики

,…,D

. Они, как и датчики первой группы существенно удалены от

ПК, но измеряют сигналы различной физической природы. И, наконец,

датчики третьей-й группы, расположенные вблизи ПК и

предназначенные для измерения технологических параметров

различной физической природы.

П - преобразователи физической величины в ток для 1-ой и 2-й

группы и в напряжение для 3-й.

119

Рис. 25

Н1 - нормализатор 1-го типа для смещения уровня сигнала датчика

в заданный диапазон измерения.

Н2 - нормализатор 2-го типа - устройство для преобразования тока

в напряжение.

Н3 - нормализатор для компенсации холодного спая термопар, для

компенсации нелинейности характеристик датчиков.

Ф - аппаратные RC-фильтры, предназначенные для устранения

радиопомех и помех промышленной частоты.

2.2. Устройства распределенного сбора данных и управления

серии ADAM

В качестве примера из широкого класса устройств удаленного сбора

данных предлагается рассмотреть модули фирмы Advantech.

Устройства серии ADAM-4000, 5000, 6000 и 7000, предназначенные

для построения территориально-распределенных систем сбора данных

и управления, обеспечивают выполнение следующих функций:

аналоговый ввод-вывод, дискретный ввод-вывод, первичное

преобразование информации, приём команд от удалённой

120

вычислительной системы и передача в её адрес преобразованных

данных с использованием интерфейса RS-485 или Ethernet.

На рис. 26 представлена структурная схема сети на базе RS-485 и

модулей серии ADAM-4000. Сеть последовательной передачи данных,

благодаря наличию преобразователя RS-232 в RS-422/485

ADAM-4520

и повторителя ADAM-4510, может объединять до 256 устройств.

Модули серии ADAM-4000 предназначены для построения

распределенных систем сбора данных и управления и представляют

собой компактные и интеллектуальные устройства обработки сигналов

датчиков, специально разработанные для применения в

промышленности.

RS-232

ПК

(4052)

4080d

4013

14d

Рис. 26

Наличие встроенных микропроцессоров позволяет им осуществлять

нормализацию сигналов, операции аналогового и дискретного ввода-

вывода, отображение данных и их передачу (или прием) по

интерфейсу RS-485. Все модули имеют гальваническую развязку по

цепям питания и интерфейса RS-485, программную установку

параметров, командный протокол ASCII и сторожевой таймер.

Питание модулей осуществляется нестабилизированным напряжением

10…30 В постоянного тока. Диапазон

температур: рабочий –

10…+70°С, хранения –25…+80°С. Относительная влажность — до

95% без конденсации влаги.

В показанной на рис. 26 сети, помимо упомянутых выше блоков,

используются следующие модули: