6. Структуры асу тп.
7. Технические средства распределенных систем управления.
2. Управление современным промышленным
ПРОИЗВОДСТВОМ. ОСНОВНЫЕ ЭТАПЫ И ЗАДАЧИ
АВТОМАТИЗАЦИИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ
2.1 Характеристика производственного предприятия и
производственного процесса.
На производственном предприятии осуществляется сложный процесс превращения материалов, сырья, полуфабрикатов в готовую продукцию. Осуществление этого процесса требует выполнения ряда разнообразных функций, совокупность которых принято называть производственно - хозяйственной деятельность предприятия. В соответствии с производственно – хозяйственными функциями предприятие (систему) можно разбить на подсистемы, т.е. части предприятия, выполняющие определенную функцию.
Основными производственно – хозяйственными функциями являются: производство готовой продукции, вспомогательного оборудования, инвентаря, инструментов и выполнение ремонтных работ; техническая подготовка производства; материально – техническое обеспечение; организационно – трудовая подготовка производства; финансово – бухгалтерская деятельность; реализация готовой продукции.
Производство готовой продукции сосредоточено в специальных подразделениях, совокупность которых принято называть основным производством предприятия. В цехах основного производства организуется производственный процесс, т.е. превращение исходных продуктов (сырья, материалов, полуфабрикатов) в готовую продукцию.
Производство вспомогательного оборудования, инвентаря, инструментов и выполнение ремонтных работ осуществляется в цехах вспомогательного производства. Состав функций вспомогательного производства зависит от специфики и характера производственного предприятия.
Техническая подготовка производства заключается в конструировании новых и модернизации выпускаемых изделий, в разработке технологии производства, продукции, нормировании расхода ресурсов.
Материально – техническое обеспечение выполняет в основном две функции: во-первых, определяет количество и размер партий закупаемого сырья и материалов, оформление документации на их получение и оперативную связь с поставщиками; во-вторых, складирование материалов, оперативный поиск и выдачу материалов в соответствии с регламентом их поставки или по требованию.
Организационно – трудовая подготовка производства – набор и обучение кадров, нормирование и организация труда, расстановка кадров по рабочим местам, решение вопросов оплаты, материального и морального стимулирования кадров.
Финансово – бухгалтерская деятельность заключается в анализе, учете и документировании в денежном и натуральном выражении всех операций, связанных с закупкой сырья, материалов и полуфабрикатов, реализация продукции, а также в начислении заработной платы, в контроле использования материальных ценностей и ряде других функций.
Реализация готовой продукции – это ее складирование, обеспечение транспортными средствами для вывоза изделий, организация и осуществление погрузки и отправки, осуществление оперативных контактов с заказчиком.
Центральным звеном предприятия является основное производство, где осуществляется производственный процесс, представляющий многоэтапное и многоэлементное превращение материалов, сырья и полуфабрикатов в готовую (конечную) продукцию. Простейшим элементом производственного процесса можно считать технологическую операцию.
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.
Тип производственного процесса, а значит и промышленного предприятия, определяется типом технологических процессов, преимущественно используемых в данном производстве. Различают три типа технологических процессов (производств): непрерывные, дискретные и дискретно-непрерывные.
К непрерывным 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.). На вход этих установок непрерывно подается сырье или полуфабрикат. Выходным продуктом могут быть вещество или энергия. Поступление сырья, 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.
Данная классификация процессов (производств) в определенной мере условна, так как на крупном современном предприятии функционируют одновременно технологические процессы всех типов. Однако, удельный вес их различен, что позволяет использовать описанную классификацию.
Структурно производственный процесс описывают через отношения между составляющими его технологическими элементами. В зависимости от уровня детализации технологическими элементами служат технологические операции или технологические процессы. Отношения между элементами описывают технологической 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 называть технологией 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.
Целью технологической операции является получение выходного продукта с заданными свойствами путем преобразования входного продукта. Для осуществления преобразования необходимо выбрать оборудование, на котором должна выполняться операция. Условия ее протекания, выраженные через определенные физические параметры, такие, как температура, давление, уровень, расход и т.д. Эти параметры называются технологическими.
Совокупность параметров всех технологических операций производственного процесса, значение которых определено из условия получения конечного продукта заданного качества, называют технологическим режимом. Понятие «технологический режим» также используют применительно к технологическому процессу.
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.
Попытки описать производственное предприятие единой моделью и построить единый алгоритм управления в основном оказываются не состоятельными. Модель и алгоритм либо не удается составить, либо они оказываются настолько сложными, что их практическое использование невозможно. Это связано, прежде всего, с тем, что размерности векторов состояния и управления даже для небольшого предприятия измеряются тысячами либо десятками тысяч переменных (по Р. Беллману – проклятье размерности).
Одним из методов преодоления сложности решения задач большой размерности является их декомпозиция. Декомпозицией называют разбиение исходной задачи большой размерности на совокупность взаимосвязанных задач меньшей размерности, решение которых с заданной степенью точности соответствует решению исходной задачи. Применительно к сложной системе управления декомпозиция заключается в разбиении сложного объекта управления на подсистемы и в организации в каждом из них подсистем управления. 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 называть системами управления технологическими процессами.
Третий уровень иерархии составляют системы управления цехами, технологическими производствами. Цель управления заключается в организации выпуска 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 на четвертом 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 называют системой управления предприятием.
Система управления предприятием относится к организационно-экономическим системам управления. Главное отличие организационно-экономических систем от систем управления технологическими процессами заключается в характере объекта управления. В организационно-экономических системах объектом управления являются коллективы людей, взаимодействующие с технологическим оборудованием, а также осуществляющие конструктивную и технологическую подготовку производства. Специфика организационно-экономических систем отражается в содержании основных функций управления.
Одна из основных функций управления это функция планирования. Обычно планирование подразделяют на перспективное 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 называют оперативным управлением.
Если в системах управления технологическими процессами управление реализуется в форме физического воздействия на объект управления, то в организационно-экономических системах реализация управляющего воздействия есть сложная функция, выполняемая в основном людьми. Одна из наиболее важных ее составляющих – организация. Функция организации заключается: в установлении постоянных или временных взаимоотношений между всеми элементами системы; в определении порядка и условий их функционирования; в подборе и расстановке кадров; в установлении моральных и материальных стимулов деятельности.
Кроме иерархической (вертикальной) декомпозиции системы производится ее разбиение на функциональные подсистемы (горизонтальная декомпозиция). Функциональной подсистемой управления называют часть системы, выделенную по общности объекта и функциональных признаков управления. Объектами управления в функциональных подсистемах являются производственные подсистемы.
Используя терминологию фирмы Setpoint, функции системы управления предприятием и распределение задач представим в виде следующей схемы, рис. 2.1.
В соответствии с изложенным ранее требование эффективности управления реализуется путем решения следующих задач.
Задачи нижнего уровня – контроль и обеспечение заданных значений технологических параметров, на основе которых проводится управление процессами. Задачи нижнего уровня реализуются на основе автоматических систем контроля (АСК) и автоматических систем регулирования (АСР), технически обеспечиваемых датчиками (первичными преобразователями), каналами связи, усилителями, задатчиками, регуляторами, исполнительными устройствами, функциональных блоками, средствами интерфейса АСР-человек.
Задачи второго уровня – вычисление (оценка) и поддержание заданных показателей качества продуктов производства, расчет и оптимизация отдельных технико-экономических показателей. Задачи данного типа относятся к числу «продвинутых». Основная проблема при построении подсистем второго связана с трудностью получения оперативной информации о показателях качества (ПК) и технико-экономических показателях (ТЭП). Поточные анализаторы качества, как правило, для целей оперативного управления не годятся в силу того, что обладают неприемлемо большим запаздыванием (цикл измерения, обычно, десятки минут), большой погрешностью (несколько процентов), низкой надежностью и дороги в эксплуатации.
Решение задач второго уровня возможно только при использовании моделей технологических процессов необходимых для расчета ПК и ТЭП и моделей принятия решений, т.е. собственно моделей управления процессами.
Для третьего уровня характерны такие задачи как: расчет балансов по продуктам и энергии, расчет удельных энерго- и материалозатрат на единицу продукции, оценка себестоимости единицы продукции (полуфабрикатов), оптимизация межремонтных пробегов установки и т.д.
Таким образом, решение задач управления в режиме нормальной эксплуатации реализуется иерархической системой, в которой задачам АСУТП соответствуют два нижних уровня, а третий уровень – это задачи АСУП.