ЛекцияАИУС2011

2

ВВЕДЕНИЕ

Рост сложности задач управления производством приводит к необходимости использования средств автоматизации, которое, однако, возможно, если известны и математически описаны управляемые процессы, определены алгоритмы управления и накоплен опыт в эксплуатации систем данного типа.

В настоящее время на различных промышленных предприятиях функционирует более пяти тысяч автоматизированных систем управления (АСУ), которые охватывают технологические процессы, участки и цехи производства, автоматизируют организаци- онно-исследовательскую деятельность предприятия.

Проследим эволюцию автоматизированного управления.

Следует заметить, что хотя внедрение АСУТП и АСУП началось одновременно, фактически начало развития АСУТП по сравнению с АСУП сдвинуто по времени на 12 лет.

Она прошла через несколько качественно различных этапов. Как правило, переход к каждому из них был связан с появлением новых технических средств. В свою очередь эти средства разрабатывались в ответ на непрерывно растущие требования практики управления, обусловленные усложнением процессов производства и ограниченностью возможностей человека как их непосредственного участника.

Задача управления ТП возникла одновременно с появлением материального производства, т.е. процессов целенаправленного преобразования материи или энергии. Первоначально эту задачу решал человек, подавая определенные количества материала и (или) энергии, одновременно "на глаз" оценивая ход процесса, при необходимости корректирования его и устанавливал момент завершения преобразования.

По мере усложнения производства требовалось более развитое и точное управление. В таких условиях ограниченность способностей человека, невозможность "на глаз" и "на ощупь" проконтролировать процесс производства были серьезным препятствием для дальнейшего развития. Поэтому первыми помощниками человека стали различные контрольно-измерительные устройства.

На заре автоматизации человек вел технологический процесс находясь возле местных контрольно-измерительных приборов, установленных непосредственно на оборудовании и работающих в прямом контакте с материальными потоками. Эти средства давали ему возможность более точно и, главное, объективно оценивать работу то и, следовательно улучшать его использование.

Дальнейший рост мощностей и размеров оборудования заставил задуматься о том, как освободить рабочего от утомительной задачи: все время находясь у работающих машин и аппаратов, следить за показаниями приборов и вручную осуществлять необходимые подстройки и переключения. В этой связи важным техническим достижением явилось создание измерительных, регулирующих и исполнительных устройств с внешним источником энергии. Это позволило организовать посты контроля и дистанционного управления и широко применять автоматические регуляторы. В результате значительно улучшились условия работы обслуживающего персонала: уменьшилась нагрузка, более удобным стало рабочее место, благоприятнее стала и внешняя среда.

С освоением контрольно-измерительных и управляющих устройств с унифицированным выходным сигналом появилась возможность объединить местные посты в центральные щиты управления. Были разработаны и стали широко применяться так называемые мнемосхемы, на которых в изображении технологической схемы объекта

3

встраивались приборы сигнализации и инструкции, что привело к появлению агрегатных комплексов технических средств, а также центральных пунктов управления.

С введением унифицированных измерительных и управляющих сигналов, передаваемых на рассмотрение, переработка информации была территориально отделена от ТП. Она сконцентрировалась в центральном пункте управления, где были установлены соответствующие приборы: регуляторы, задатчики, ключи управления, самописцы и т. д. Этих средств длительное время хватало.

Таким образом, к концу рассматриваемого периода были решены две задачи:

а) получение, сбор и представление информации о состоянии отдельных технологических переменных объектах; б) дистанционное воздействие на ТОУ.

Остался неавтоматизированным третий элемент (задача) - принятие решений, без которого эффективное управление любым объектом невозможно: располагая информацией об управляемом объекте, нужно ее использовать для проведения требуемых вычислений, на основании и которых необходимо принять решение и осуществить управление ТП.

Значительным подспорьем в решении в решении этой задачи для человекаоператора служили автоматические регуляторы; они освобождали его от необходимости ежеминутно принимать решения по управлению большим количеством стабилизируемых технологических переменных. Однако управление процессом оставалось за оператором: практически трудно осуществлять правильное автоматическое воздействие большего числа регуляторов, обеспечивающих раздельное регулирование параметрами в каждом контуре (участке) процесса, то есть создать взаимосвязанную систему автоматического управления процессом как единым целым. По мере усложнения процессов даже самые квалифицированные операторы перестали удовлетворительно справляться с этими задачами.

Чтобы яснее представить себе всю трудность стоящих перед каждым оператором задач, следует учесть, что при управлении современным промышленным объектом к нему надо подходить как к единому целому, а не как к набору различных независимых элементов. Необходимо весь производственный процесс вести в некотором оптимальном режиме, при котором может быть получен надлежащий эффект управления. Важно отметать, что СУ в промышленности это большая система.

Анализ подобных промышленных объектов и СУ показывает, что для них характерны следующие тенденции:

1.Неуклонное возрастание мощностей создаваемых энергоблоков (например энергоблоки тепловых электростанций 300, 500, 800 МВт), укрупнения объектов.

2.Соответственно интенсивно возрастает необходимая "мощность применяемых систем контроля и управления.

3.В последнее время коренным образом изменились взгляды на значения энергетических ресурсов, экономию среды. В результате происходит существенное повышение требований к качеству ведения ТП.

4.Для того чтобы добиться максимального экономического эффекта для производства в целом необходимо создавать интегрированных систем управления. Это приводит к резкому усложнению задач управления. В таких условиях возникла проблема автоматизации собственно управления, то есть, принятия решений. В результате появились АСУ, то есть развитые человеко-машинные системы, реализующие такой автоматизированный процесс сбора и переработки информации, который необходим для принятия решения по управлению объектом (процессом, производством) в целом. При этом роль человека в любой АСУ весьма существенна: так как ряд ответственных задач

5

пенного объединения разрозненных средств автоматизации в единую систему по мере появления подходящих технических средств. При этом первоначально локаль-

ные системы сохранялись на каждой новой ступени развития неизменными, возникали лишь новые уровни управления, связывающие предыдущие. Поскольку многие Т.О. имеющие значительную протяженность, сначала сложилась децентрализованная структура системы в целом, при которой отдельные аппаратные элементы системы управления располагались в разных частях объекта.

С появлением новых технических средств и дальнейшим развитием систем управления постепенно начался процесс централизации систем управления, в котором можно выделить два этапа.

I этап.

Возник в связи с появлением измерительных приборов имеющих унифицированный сигнал. Они дали возможность получать информацию о значениях технологических параметров в виде сигналов тока, напряжения или частоты. Это по существу означало развязку между процессом измерения и последующим процессом обработки сигналов. Это дало возможность территориально совместить приборы. Однако процесс обработки сигналов протекая по прежнему децентрализовано, в отдельных измерениях и регулирующих устройствах.

II этап.

Вторым этапом явилась централизация функций обработки сигналов. Появление ЭВМ с их широкими возможностями в области обработки и хранения информации сыграло решающую роль в централизации функций АСУПТ.

Следует отметить, что АСУТП является существенным, но не единственным компонентом, призванным осуществлять новую техническую реконструкцию предприятия на основе прогрессивных технологических процессов и гибких производств.

Создаются: автоматические системы научных исследований (АСНИ), САПР, автоматизированные системы технологической подготовки производства (АСТПП); АСУП . Создается гибкие автоматизированные участки (ГАУ), линии (FLL), цеха (ГАЦ), производства(ГАП). Перечисленные системы позволяют повысить производительность труда, улучшить качество выполняемых работ, снизить сроки перехода к выпуску новой продукции.

Однако при автономном функционировании данные системы не обеспечивают существенных сдвигов в работе предприятия. Дальнейшее повышение эффективности перечисленных систем связано с их интеграцией и созданием комплексной интегрированной системы управления предприятием. Это обеспечивается объединением перечисленных систем (в дальнейшем именуемых подсистемами) в единую на основе согласования информационного, технического, программного и организационного. Взаимодействие вычислительных средств перечисленных средств перечисленных подсистем осуществляется созданием на предприятии локальной вычислительной сети, а согласование информационного обеспечения - созданием общей базы данных предприятия.

Интегрированная система управления (СУ) является иерархической многоуровневой. Разделение функционирования подсистем, входящих в интегрированную систему управления подсистем и в целом на предприятии.

На рис. 1 приведена структура комплексной интегрированной системы управления производством.

6

АСТПП

ГАП

Склад Система контроля

Рис 1. Структура комплексной интегрированной системы управления производством. Подсистемы АСНИ, САПР, АСТПП являются внешними по отношению к АСУТП и

обеспечивает АСУП информацией, исходя из которой АСУП составляет задание для ГАП, которое распределяется по ГАУ.

Дадим определение АСУ, АСУ называют совокупность математических методов, технических средств (ЭВМ, средств связи, устройств отображения информации и т. д.) и рационализированных комплексов, обеспечивающих обеспечивающих рациональное управление сложным объектом (процессом) в соответствии с заданной целью.

Раздел I. Технические системы. Основные понятия и определения.

1.1 Примеры технических систем.

Рассмотрим несколько примеров технических систем.

а) техническая система обеспечивающая контроль узлов и изделий РЭА.

7

Рис. 2 Работ устанавливает изделие на контрольно-измерительной аппаратуре (КИА), опре-

деляет порядковый номер изделия, используя устройства для считывая штрихового кода0 б) Техническая система обеспечения различных сборочных операций.

1.1.1АСУ в металлургической промышленности

Вметаллургической промышленности основные трудности при организации автоматического управления связаны с получением информации о химических, металлургических и тепловых процессах в доменных печах и кислородных конверторах [4]. После разливки контролируются только геометрические и температурные параметры слитков. На станах горячей прокатки достигнут самый высокий уровень автоматизации управления. Так, с помощью ЭВМ на станах настраиваются черновые и чистовые клети, регулируется температура, задается программа прокатки, выбираются колодцы для нагрева слитков, ведется централизованный контроль и адаптивное управление нажимными механизмами.

Непрерывная разливка стали, исключающая из технологического цикла такие трудоемкие процессы, как операции с изложницами (разлив стали, перевозка изложниц и т.п.), операции с нагревательными колодцами и обжимными прокатными станами (блюмингами и слябингами), является в настоящее время одним из важных направлений технологического прогресса в черной металлургии. Внедрение АСУ процесса непрерывной разливки стали обеспечивает стабилизацию температуры металла на его поверхности, регулирование уровня металла в промежуточных ковшах и кристаллизаторах, вследствие чего повышается на 2-3% производительность установки, значительно сокращается брак металла, существенно улучшаются условия труда рабочего персонала.

На рис. 3 показана АСУ доменной печи, которая компенсирует возмущения, воздействующие на физико-химические процессы, протекающие в объекте управления, обеспечивая получение максимального количества чугуна постоянного качества при минимальных затратах, а также контролирует основные технологические параметры

8

печи в целях предупреждения возникновения нежелательных ситуаций для процесса выплавки чугуна или для доменной печи. Для оптимального управления доменной печью были разработаны и внедрены различные варианты математических моделей, отражающих тепловое состояние в нижней зоне печи, где получается жидкий чугун. С этой целью были проведены многочисленные теоретические исследования по идентификации физико-химических и тепловых характеристик процессов, происходящих в доменной печи. Удовлетворительные результаты были получены благодаря применению математической модели, основанной на материальных тепловых балансах нижней зоны доменной печи. Основным параметром такой модели является параметр Wи, характеризующий тепловое состояние горна.

Рис.3 На основе характеристик дутьевого воздуха и выхлопных газов АСУ производит в ре-

альном масштабе времени расчет указанного параметра по формуле вида

Wи=(1000/pi)(1,275В-0,145C+0,44H/1000-0,336T/1000-0,87D+0,896)-0,14F+0,96, (15)

где рi – производственный показатель, представляющий собой отношение выпуска чугуна к объему дутьевого воздуха, т чугуна/1000 м3 дутьевого воздуха; В = (СО+СО2)/N2 в выхлопных газах в верхней части доменной печи; С-Н2/N2 в выхлопных газах; Н – влажность дутьевого воздуха, г/м3; Т – температура дутьевого воздуха, С; D - расход дутьевого топлива, г/м3 дутьевого воздуха; F - отношение массы, кг, загруженного металлолома на тонну чугуна.

При помощи ЭВМ обеспечивается поддержание реального значения параметра , Wи вблизи заданного значения (WR) за счет регулирования подачи топлива, темпера-

10

Компоненты

Рис.4

Металлургические процессы – это энергоемкие процессы, что в большей степени вынуждает обеспечить строгую координацию работы большого количества разного технологического оборудования. Автоматизированное управление комбинатом требует достаточно сложной системы контроля за изменением большого числа различных параметров, обработки полученной информации и формирования управляющих воздействий, чтобы обеспечить желательное протекание технологического процесса. В связи с этим для управления металлургическим комбинатом необходимо применять иерархические АСУ. Структура такой системы, реализованной на металлургическом комбинате «Мизушима» (Япония), показана на рис. 5 [4].