Сиротин Э.Е. Автоматизированные системы управления технологическими процессами. Конспект лекций

Подождите немного. Документ загружается.

кающих в настоящее время ЧМИ и ПО для систем управления, будут "подни-

маться" к системам планирования материальных ресурсов – СПМР и АСУП а

большинство нынешних функций ПО "спустятся" на уровень встроенных

программ и запускаемых самим продуктом апплетов.

В условиях современных предприятий "островки автоматизации" про-

шлого неуклонно растворяются по мере подключения практически всего воз-

можного к централизованным сетям. Сегодня имеются сети трех уровней:

устройств ЛСУ (нижний), СУ (средний) и предприятия (верхний). Стандарт

Fieldbus будет вытеснен благодаря появлению нескольких параллельных

(или, возможно, перекрывающихся) стандартов, отвечающих нуждам кон-

кретной отрасли промышленности и/или защиты окружающей среды. В каче-

стве стандартов внешнего соединения системы или машины будут использо-

ваться промышленные расширения Ethernet и TCP/IP. В ближайшие годы мы

станем свидетелями продвижения Ethernet на все уровни при качественных

(быстродействие и детерминизм) и стоимостных показателях, устраняющих

необходимость в поиске альтернатив.

Коммуникационная инфраструктура быстро развивается в сторону под-

соединения всего и вся к Internet не только через высокоскоростные цифро-

вые абонентские линии и кабельные модемы, но и во все большей степени

через системы беспроводной связи третьего поколения. В ближайшие год-два

кремниевые кристаллы позволят поддерживать беспроводную радиосвязь со

скоростью передачи, превышающей ту, которую сегодня могут обеспечивать

наземные линии связи на основе витой пары, и сравнимой со скоростью пере-

дачи по кабелю. Это окажет существенное влияние на промышленные СУ.

Беспроводная связь третьего поколения позволит просто, эффективно и эко-

номично связать практически все УВВ и сделать их частью архитектуры

САС.

Сдерживающим фактором внедрения беспроводной связи в промыш-

ленности является опасность несанкционированного доступа. Эта проблема

решается с помощью современных методов криптографии, которые уже ши-

роко применяются в банковской и биржевой сферах. Приспособление этих

методов для промышленной автоматики станет относительно несложным.

На сегодняшнем предприятии операторная - все еще центральный узел,

вокруг которого вертится весь производственный процесс. Завтра управлять

можно будет с помощью портативных беспроводных компьютеров, которые

будет носить с собой обслуживающий персонал (как теперь носит мобильные

телефоны). Эти персональные цифровые помощники («карманные компьюте-

ры») будут подключаться через Web ко всему необходимому для работы с

тем или иным объектом (документацией по каждому продукту, аппарату,

станку), а также общезаводскими службами техобслуживания, диагностики и

ремонта.

Достижения последних лет стали результатом воздействия закона Мура

(рост производительности компьютеров) в сочетании с законами Гилдера

(расширение пропускной способности) и Меткалфа (возможности связи через

Internet). В ближайшее десятилетие это воздействие будет стабильно распро-

страняться в сфере промышленной автоматизации.

ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ ТЕОРИИ УПРАВЛЕНИЯ ПРОЦЕССА-

МИ

Производственный процесс, т.е. процесс производства необходимой

продукции, в целом и в каждой отдельной фазе представляет собой совокуп-

ность взаимосвязанных частичных процессов (основных, вспомогательных,

обслуживающих).

Основную часть производственного процесса составляют технологиче-

ские процессы. Технологическое содержание производственного труда при-

нято называть технологическим процессом (ТП). ТП определяет изменение

форм, размеров, физико-химических свойств предметов труда. Для целей ор-

ганизации и нормирования труда ТП расчленяют на операции. Операция –

это часть ТП, выполняемая над определенным предметом труда на одном ра-

бочем месте одним или группой рабочих.

По технологическим признакам операции расчленяются на установки,

переходы и проходы.

Установкой называется часть операции, выполняемая при неизменном

положении предмета труда.

Переходом называется часть операции, выполняемая над изменением

одного или одновременно несколькими свойствами предмета труда, одним

или одновременно несколькими инструментами при неизменном режиме ра-

боты оборудования.

Проход – это часть перехода, при котором изменяется свойство предме-

та труда без смены инструмента и изменения режима обработки.

Разнообразие ТП обусловлено следующими основными факторами:

- видом используемого сырья;

- формой и количеством необходимых энергоресурсов;

- количеством стадий (операций) преобразования сырья;

- временными характеристиками операций процесса;

- видом готовой продукции.

По характеру протекания ТП делятся на непрерывные, периодические

и дискретные.

Непрерывным называется процесс, в котором конечный продукт выра-

батывается пока подводится сырье, энергия, катализаторы, управляющие воз-

действия. Например, процессы нефтепереработки, непрерывной разливки

стали, обогащения руды и т.п.

Периодическим является ТП, в котором за сравнительно небольшой

промежуток времени (часы или дни) вырабатывается определенное, ограни-

ченное количество конечного продукта. При этом в течение отведенного

промежутка времени периодический процесс является непрерывным. Напри-

мер, доменный процесс, полиграфический процесс печати тиража.

Дискретным называется ТП, в котором готовый продукт вырабатывает-

ся за определенные промежутки времени и, который можно остановить и

продолжить с любой технологической операцией без снижения заданного

уровня качества. Пример: сборка на конвейере, испытание готовых изделий и

т.п.

Характеристики большинства ТП таковы, что требуют четкого управ-

ления ими, хотя бы с точки зрения безопасности. В общем случае, необходи-

мость управления ТП диктуется следующими факторами:

1. для обеспечения качества готового продукта состав и количество

входных компонентов должны поддерживаться на заданном уровне;

2. износ орудий труда и переменный состав сырья требует непрерыв-

ного изменения (подстройки) параметров ТП;

3. пуск и остановка некоторых ТП требует выполнения специфических

точно синхронизированных операций и др.

Характерной особенностью современных ТП является то, что управле-

ние ими занимает нижний уровень в иерархической системе управления про-

изводством.

Ведение ТП должно удовлетворять нескольким зачастую противоречи-

вым требованиям к качеству готовой продукции и производительность уста-

новки.

Качество продукции определяется, в первую очередь, качеством сырья,

заготовки возмущениями, действующими на процесс, качеством инструмента,

режимом обработки и т.д.

Производительность установки определяется простоями оборудования,

потерями времени при переходе от одного вида продукции к другому, потери

на плановые и аварийные ремонты, а также режимом работы самого оборудо-

вания.

Поскольку качество и производительность взаимосвязаны, то системы

управления ими не могут быть автономными.

Система управления качеством организуется на каждой технологиче-

ской операции, должна быть оперативной, работать в реальном времени.

Система управления производительностью состоит из систем управле-

ния режимами технологических операций, управления транспортными опера-

циями и межоперационными запасами.

В связи с этим можно проиллюстрировать место АСУТП в составе АСУ

производственным процессом (рис. 1.2).

Рисунок 1.2. Место АСУТП в системе управления производственным процессом.

КЛАССИФИКАЦИЯ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ

В производственных системах можно выделить следующие основные виды

управления: организационное управление, диспетчерское управление и тех-

ническое управление. Организационное управление имеет целью подготовку ра-

боты производственной системы: планирование работы; обеспечение ресурсами,

подготовку производства.

Диспетчерское управление осуществляется в целях поддержания и опти-

мизации функционирования технологического процесса производственной

системы: оперативного распределения ресурсов, управления материальными

и информационными потоками, организации взаимодействия всех ком-

понентов производственной системы в реальном времени процесса и про-

граммирования рабочих циклов.

Целью технического управления является обеспечение требуемых ра-

бочих циклов оборудования производственной системы. Задачи технического

управления представляют собой нижний базовый уровень задач управления. Ре-

шение именно этих задач необходимо, в первую очередь, при проектировании

средств автоматизации.

Диспетчерское и техническое управления совершаются в реальном вре-

мени функционирования управляемого процесса. Это означает, что задачи

управления должны решаться по мере их возникновения, и допустимое время

их решения определяется объектом управления и управляемым процессом. При

этом большое значение имеет время реакции системы управления на различные

события управляемого процесса.

В основе технического и диспетчерского управления лежат некоторые ба-

зовые методы управления, разработанные в соответствующих разделах теории

управления в технических системах. Укрупненная классификация методов тех-

Экономическое управление

Управление качеством

Технологический процесс

Управление производительностью

АСУП

АСУТП

3-й уровень

2-й уровень

1-й уровень

Вход

Выход

нического управления приведена на рис. 1.2. В основе управления автоматиче-

ским оборудованием и процессами лежит программное управление. Про-

граммное управление - задание рабочего цикла автомата с помощью изме-

няемой программы. Программное управление предусматривает частичную

или полную гибкость автоматического оборудования.

Системы программного управления - это такие системы, в которых ха-

рактеристики управления не зависят от условий функционирования объекта.

Такое управление часто называют жестким управлением. Программа рабочего

цикла автомата при этом имеет неизменные характеристики.

Рисунок 1.2. Классификация систем управления.

В системах адаптивного управления характеристики управления изменя-

ются при изменении условий функционирования объекта управления таким

образом, чтобы обеспечить оптимальное, функционирование объекта. При

адаптивном управлении решается либо задача стабилизации качества функцио-

нирования объекта управления, либо задача оптимизации качества по некото-

рому критерию. Для обеспечения адаптации изменяются либо параметры уст-

ройства управления, либо его структура, либо алгоритм управления.

Интеллектуальные системы управления основаны на использовании

методов искусственного интеллекта. В практике управления в основном исполь-

зуются экспертные системы (ЭС).

ЭС предназначены для решения так называемых неформализованных за-

дач, т.е. ЭС не отвергают и не заменяют традиционного подхода к разработке

программ, ориентированного на решение формализованных задач.

Неформализованные задачи обычно обладают следующими особеннос-

тями:

- ошибочностью, неоднозначностью, неполнотой и противоречивостью

исходных данных;

- ошибочностью, неоднозначностью, неполнотой и противоречивостью

знаний о проблемной области и решаемой задаче;

Техническое

управление

Системы программного

управления

Системы адаптивного

управления

Интеллектуальные систе-

мы управления

Цикловое управление

Числовое управление

Автоматическое регули-

рование

Позиционные системы

Комбинированные систе-

мы

Контурные системы

- большой размерностью пространства решения, т.е. перебор при поис-

ке решения весьма велик;

- динамически изменяющимися данными и знаниями.

Неформализованные задачи возникают при управлении сложными производст-

венными системами.

Решения экспертных систем обладают "прозрачностью", т.е. могут быть объ-

яснены пользователю на качественном уровне. Это качество экспертных систем

обеспечивается их способностью рассуждать о своих знаниях и умозаключениях.

Экспертные системы способны пополнять свои знания в ходе взаимодействия

с экспертом. В настоящее время технология экспертных систем используется для

решения различных типов задач (интерпретация, предсказание, диагностика,

планирование, конструирование, контроль, отладка, инструктаж, управление)

в самых разнообразных проблемных областях, таких как финансы, нефтяная и

газовая промышленность, энергетика, транспорт, фармацевтическое производ-

ство, космос, металлургия, горное дело, химия, образование, целлюлозно-

бумажная промышленность, телекоммуникации и связь и др.

При управлении детерминированными объектами (т.е. объектами, свой-

ства которых известны и полностью описаны) основное применение находят ав-

томатические системы программного управления. Такие системы обеспе-

чивают либо требуемый рабочий цикл смены дискретных состояний объекта

управления, либо рабочий цикл изменения некоторых управляемых параметров

объекта по заданному закону, либо комбинацию обеих задач. Действия сис-

темы управления определяются программой, изменение которой позволяет

изменить рабочий цикл объекта управления.

Системы циклового управления используются для управления рабочими

циклами автоматического оборудования, заключающимися в заданной пос-

ледовательности смены дискретных состояний объекта управления. Совре-

менные системы циклового управления строятся с использованием програм-

мируемых микроконтроллеров. Рабочий цикл объекта управления определяется

программой микроконтроллера, что позволяет путем перепрограммирования

микроконтроллера изменять рабочий цикл и обеспечивает гибкость управления.

Системы автоматического регулирования (САР) используются для объ-

ектов, которые характеризуются некоторым набором непрерывно изменяющихся

выходных параметров (аналоговые управляемые величины). Задача управления

заключается в обеспечении заданного цикла изменения управляемых парамет-

ров во времени. Простейшим примером системы программного ав-

томатического регулирования являются различные стабилизирующие регу-

ляторы или стабилизаторы (стабилизаторы давления, стабилизаторы темпе-

ратуры и др.). Для решения задач автоматического регулирования также полу-

чили широкое распространение программируемые микроконтроллеры.

Системы числового программного управления (ЧПУ) первоначально

были созданы для металлообрабатывающих станков. Такая система обеспечи-

вает требуемую последовательность работы механизмов и устройств станка

(задача циклового управления) и требуемый закон движения рабочих органов

станка в пространстве и во времени (частично задача автоматического регу-

лирования). Основной особенностью систем ЧПУ является способ програм-

мирования, который изначально использовал основные принципы програм-

мирования ЭВМ с применением специальных языков программирования.

В зависимости от возможностей управления движениями исполнитель-

ного органа различают позиционные системы ЧПУ, контурные системы ЧПУ

и комбинированные системы ЧПУ. Позиционные системы ЧПУ обеспечивают

траекторию движения рабочего органа за счет невзаимосвязанных коорди-

натных перемещений. Результирующая траектория в этом случае представляет со-

вокупностью отрезков, параллельных осям координат объекта управления. Кон-

турные системы управления более сложны и обеспечивают произвольную траек-

торию движения исполнительного органа в системе координат объекта управ-

ления. Комбинированные системы ЧПУ совмещают обе возможности управле-

ния.

ИЕРАРХИЧЕСКАЯ СТРУКТУРА СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ

Современные системы управления сложными объектами промышленной

технологии строятся по иерархическому принципу. Это значит, что система

управления такими объектами расчленяется на ряд систем, стоящие на разных

уровнях подчинения. Система более высокого ранга, ориентируясь на общий

(глобальный) критерий управления, выдает команды на включение или от-

ключение отдельных локальных объектов, а также осуществляет выбор част-

ных критериев управления этими объектами. Локальные системы управления

осуществляют поддержание заданных оптимальных режимов, как в пусковых,

так и в нормальных эксплуатационных условиях.

Являясь нижним иерархическим уровнем автоматических систем управ-

ления промышленными объектами, локальные системы осуществляют функ-

ции измерения, контроля и регулирования основных технологических пара-

метров, характеризующих состояние технологического процесса. Количество

регулируемых параметров в отдельно взятой локальной системе управления

невелико и составляет один или два параметра. Из общего числа систем

управления современным производством локальные системы составляют

около 80%. Качество работы локальных систем управления во многом опре-

деляет стабильность и качество выходного продукта, а следовательно и рен-

табельность производства.

ЛЕКЦИЯ №2. СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ТЕХНОЛО-

ГИЧЕСКИМИ ПРОЦЕССАМИ.

ВИДЫ АВТОМАТИЗАЦИИ ПРОИЗВОДСТВА

Автоматизация производства – это процесс в развитии машинного про-

изводства, при котором функции управления и контроля, ранее выполняв-

шиеся человеком, передаются приборам и автоматическим устройствам. Ав-

томатизация производства – основа развития современной промышленности,

генеральное направление технического прогресса. Цель автоматизации про-

изводства заключается в повышении эффективности труда, улучшении каче-

ства выпускаемой продукции, в создании условий для оптимального исполь-

зования всех ресурсов производства. Различают автоматизацию производства

частичную, комплексную и полную.

Частичная автоматизация производства осуществляется в тех слу-

чаях, когда управление процессами практически недоступно человеку и когда

простые автоматические устройства эффективно заменяют его. Частично ав-

томатизируется, как правило, действующее производственное оборудование.

По мере совершенствования средств автоматизации и расширения сферы их

применения было установлено, что частичная автоматизация наиболее эф-

фективна тогда, когда производственное оборудование разрабатывается сразу

как автоматизированное. К частичной автоматизации производства относится

также автоматизация управленческих работ.

При комплексной автоматизации производства участок, цех, завод,

электростанция функционируют как единый взаимосвязанный автоматизиро-

ванный комплекс. Комплексная автоматизация производства охватывает все

основные производственные функции предприятия, хозяйства, службы; она

целесообразна лишь при высокоразвитом производстве на базе совершенной

технологии и прогрессивных методов управления с применением надѐжного

производственного оборудования, действующего по заданной или самоорга-

низующейся программе, функции человека при этом ограничиваются общим

контролем и управлением работой комплекса.

Полная автоматизация производства – высшая ступень автоматиза-

ции, которая предусматривает передачу всех функций управления и контроля

комплексно-автоматизированным производством автоматическим системам

управления. Она проводится тогда, когда автоматизируемое производство

рентабельно, устойчиво, его режимы практически неизменны, а возможные

отклонения заранее могут быть учтены, а также в условиях недоступных или

опасных для жизни и здоровья человека.

При определении степени автоматизации необходимо, прежде всего,

учитывать еѐ экономическую эффективность и целесообразность в условиях

конкретного производства. Автоматизация производства не означает полное

вытеснение человека автоматами, но направленность его действий, характер

его взаимоотношений с машиной изменяется; труд человека приобретает но-

вую качественную окраску, становится более сложным и содержательным.

Центр тяжести в трудовой деятельности человека перемещается на техниче-

ское обслуживание машин-автоматов и на аналитически-распорядительную

деятельность.

АВТОМАТИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ

Целенаправленные процессы, выполняемые человеком для удовлетво-

рения различных потребностей, представляет собой организованную и упоря-

доченную совокупность действий – операций, которые делятся на два основ-

ных вида: рабочие операции и операции управления. К рабочим операциям

относятся действия, непосредственно необходимые для выполнения процесса

в соответствии с теми природными законами, которыми определяется ход

данного процесса, например, снятие стружки в процессе резанья изделия на

станке, перемещение экипажа, вращение вала двигателя и т.п. Для облегчения

и усовершенствования рабочих операций используются различные техниче-

ские устройства, частично или полностью заменяющие человека в данной

операции. Замена труда человека в рабочих операциях называется механиза-

цией. Цель механизации состоит в высвобождении человека в тяжѐлых опера-

циях, требующих больших затрат физической энергии, во вредных операциях,

в «рутинных» (однообразных, утомительных для нервной системы) операци-

ях.

Для правильного и качественного выполнения рабочих операций необ-

ходимы сопровождающие их действия другого рода – операции управления,

посредством которых обеспечиваются в нужные моменты времени начало,

порядок следования и прекращение рабочих операций, выделяются необхо-

димые для их выполнения ресурсы, придаются нужные параметры самому

процессу. Совокупность управляющих операций образует процесс управле-

ния.

Операции управления так же частично или полностью могут выпол-

няться техническими устройствами. Замена труда человека в операциях

управления называется автоматизацией, а технические устройства, выпол-

няющие операции управления, – автоматическими устройствами. Совокуп-

ность технических устройств (машин, орудий труда, средств механизации),

выполняющих данный процесс, с точки зрения управления является объек-

том управления. Совокупность средств управления и объекта образует сис-

тему управления. Система, в которой все рабочие и управляющие операции

выполняются автоматическими устройствами без участия человека, называ-

ются автоматической системой. Система, в которой автоматизирована толь-

ко часть операций управления, а другая часть (обычно наиболее ответствен-

ная) выполняется людьми, называется автоматизированной системой.

АДАПТИВНЫЕ И СУПЕРВИЗОРНЫЕ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕ-

НИЯ

Адаптивное управление – совокупность методов теории управления,

позволяющих синтезировать системы управления, которые имеют возмож-

ность изменять параметры системы управления или структуру системы

управления в зависимости от изменения параметров объекта управления или

внешних возмущений, действующих на объект управления. Системы управ-

ления, реализующие принцип адаптивного управления, называются адаптив-

ными. Адаптивное управление широко используется во многих приложениях

теории управления.

По характеру изменений в управляющем устройстве адаптивные систе-

мы делят на две большие группы: самонастраивающиеся (изменяются толь-

ко значения параметров системы управления) и самоорганизующиеся (изме-

няется структура самой системы управления). По способу изучения объекта,

системы делятся на поисковые и беспоисковые. В первой группе особенно

известны экстремальные системы, целью управления которых является

поддержание системы в точке экстремума статических характеристик объек-

та. В таких системах для определения управляющих воздействий, обеспечи-

вающих движение к экстремуму, к управляющему сигналу добавляется поис-

ковый сигнал. Беспоисковые адаптивные системы управления по способу по-

лучения информации для подстройки параметров регулятора делятся на сис-

темы с эталонной моделью (ЭМ) и системы с идентификатором. Последние

в литературе иногда называют, как системы с настраиваемой моделью

(НМ). Адаптивные системы с ЭМ содержат динамическую модель системы,

обладающую требуемым качеством.

Адаптивные системы с идентификатором делятся по способу управле-

ния на прямой и косвенный (непрямой). При прямом адаптивном управле-

нии благодаря учѐту взаимосвязи параметров объекта и регулятора произво-

дится непосредственная оценка и подстройка параметров регулятора, чем ис-

ключается этап идентификации параметров объекта. При косвенном адаптив-

ном управлении сначала делается оценка параметров объекта, после чего на

основании полученных оценок определяются требуемые значения параметров

регулятора, и производится их подстройка.

В супервизорной системе управления (рис. 2.1) часть параметров

управляемого процесса и логико-командного управления управляется ло-

кальными автоматическими регуляторами (АР) и ЭВМ, обрабатывая измери-

тельную информацию, рассчитывает и устанавливает оптимальные настройки

этих регуляторов. Остальной частью параметров управляет ЭВМ в режиме

прямого цифрового управления. Входной информацией являются значения

некоторых управляемых параметров, измеряемых датчиками Ду локальных

регуляторов; контролируемые параметры состояния управляемого процесса,