1. Иерархическая трехуровневая структура АСУ ТП
Чаще всего распределенные АСУ ТП имеют трехуровневую структуру. Пример структурной схемы комплекса технических средств такой системы приведен на рисунке 1.
На верхнем уровне с участием оперативного персонала решаются задачи диспетчеризации процесса, оптимизации режимов, подсчета технико-экономических показателей производства, визуализации и архивирования процесса, диагностики и коррекции программного обеспечения системы. Верхний уровень АСУ ТП реализуется на базе серверов, операторских (рабочих) и инженерных станций.
На среднем уровне - задачи автоматического управления и регулирования, пуска и останова оборудования, логико-командного управления, аварийных отключений и защит. Средний уровень реализуется на основе ПЛК.
Нижний (полевой) уровень АСУ ТП обеспечивает сбор данных о параметрах технологического процесса и состояния оборудования, реализует управляющие воздействия. Основными техническими средствами нижнего уровня являются датчики и исполнительные устройства, станции распределенного ввода/вывода, пускатели, концевые выключатели, преобразователи частоты.
Рис.1
2. Уровень ввода/вывода (полевой уровень)
Входные сигналы от датчиков и управляющие воздействия на исполнительные механизмы могут подаваться непосредственно на ПЛК (поступать от ПЛК). Однако если ТОУ имеет значительную территориальную протяженность, это потребует длинных кабельных линий от каждого устройства к ПЛК. Такое техническое решение может оказаться не рациональным по двум причинам:
- высокая стоимость кабельной продукции;
- возрастание уровня электромагнитных помех с ростом длины линий.
Более рациональным в такой ситуации является использование станций распределенной периферии, располагающихся в непосредственной близости к датчикам и исполнительным механизмам. Такие станции содержат необходимые модули ввода и вывода, а также интерфейсные модули для подключения к ПЛК через цифровую полевую шину (например, с использованием протокола Profibus DP, или Modbus RTU). Цифровая передача всех сигналов осуществляется по одному кабелю с высоким уровнем помехозащищенности. К полевой шине могут непосредственно подключаться также так называемые интеллектуальные датчики и исполнительные устройства (имеющие в своем составе контроллеры и другие блоки, обеспечивающие преобразование сигнала в цифровую форму и реализующие обмен данными через полевую шину).
Упрощенная схема ввода/вывода с использованием станции распределенной периферии приведена на рисунке 2. Полевая шина Profibus DP (Process field bus Distributed Periphery) позволяет соединить до 125 устройств, до 32 на сегмент (ПЛК, станций распределенной периферии, интеллектуальных датчиков и исполнительных устройств). Станция распределенной периферии состоит из трех основных компонент:
- базовой панели (Baseplate), на которую в специальные слоты устанавливают модули ввода/вывода и интерфейсные модули, или специальной профильной рейки, на которую крепятся модули;
- модулей ввода/вывода (I/O Modules);
- интерфейсных модулей (Interface modules), обеспечивающих обмен данными с ПЛК через цифровую полевую шину.
Рис. 2
Количество слотов под установку модулей может быть различным (чаще всего от 2 до 16). Крайний левый слот обычно используется для установки интерфейсного модуля. Блок питания может быть установлен на базовой панели или может быть использован отдельный (внешний) блок. Внутри базовой панели проходят две шины: одна служит для подачи питания на установленные модули; другая - для информационного обмена между модулями.
На рисунке 3 приведено фото узла распределенного ввода/вывода модели 2500 фирмы Eurotherm. На базовой панели расположено 8 модулей ввода/вывода и интерфейсный модуль Profibus DP, блок питания - внешний. На рисунке 4 приведено фото станции распределенной периферии фирмы Siemens ET 200M. На базовой панели 6 сигнальных модулей (модулей ввода/вывода) 1 интерфейсный модуль Profibus DP (крайний слева) и блок питания.
Рис.3
Рис.4
2.1 Сигнальные модули (модули ввода/вывода)
Модули ввода/вывода бывают 4 типов:
1) Сигнальные модули аналогового ввода (AI, analogue input). Они принимают от датчиков, подключенных к его входам, электрические сигналы унифицированного диапазона, например:
- 0-20 или 4-20 mA (токовый сигнал);
- 0-10 V или 0-5 V (потенциальный сигнал);
- сигналы от термопар (TC) измеряются миливольтами;
- сигналы от термосопротивлений (RTD).
Допустим, у нас есть датчик давления с диапазоном измерений 0-6 бар и токовым выходом 4-20 mA. Датчик измеряет давление P, которое в данный момент равно 3 бар. Так как датчик линейно преобразует значение измеряемого давления в токовый сигнал, то на выходе датчика будет:
Вход сигнального модуля AI, настроенный на те же диапазоны (4-20 mA и 0-6 бар), принимает сигнал 12 mA и делает обратное преобразование:
Соответствие диапазона электрического сигнала между входом модуля и выходом подключенного к нему датчика обязательно для корректной работы системы.
2) Сигнальные модули дискретного ввода (DI, discrete input). Принимают от датчиков дискретный электрический сигнал, который может иметь только два значения: или 0 или 24 V (в редких случаях 0 или 220 V). Вход модуля DI также может реагировать на замыкание/размыкание контакта в подключенной к нему цепи. К DI обычно подключают датчики контактного типа, кнопки ручного управления, статусные сигналы от систем сигнализации, приводов, позиционирующих устройств и т.д.
Допустим, у нас есть насос. Когда он не работает, его статусный (выходной) контакт разомкнут. Соответствующий дискретный вход сигнального модуля DI находится в состоянии “0”. Как только насос запустили, его статусный контакт замыкается, и напряжение 24 V идет на клеммы входа DI. Модуль, получив напряжение на дискретном входе, переводит его в состояние “1”.
3) Сигнальные модули дискретного вывода (DO, discrete output). В зависимости от внутреннего логического состояния выхода (“1” или “0”) устанавливает на клеммах дискретного выхода напряжение 24 V или 0 V соответственно. Есть вариант, когда модуль в зависимости от логического состояния выхода просто замыкает или размыкает внутренний контакт (модуль релейного типа). Модули DO могут управлять приводами, отсечными клапанами, зажигать светосигнальные лампочки, включать звуковую сигнализацию и т.д.
4) Сигнальные модули аналогового вывода (АО, analogue output) используются для подачи токового управляющего сигнала на исполнительные механизмы с аналоговым управляющим сигналом. Допустим, регулирующий клапан с управляющим входом 4-20 mA необходимо открыть на 50 %. В этом случае на соответствующий выход АO, к которому подключен вход клапана, подается ток I вых:
Под действием входного тока 12 mA клапан переходит на 50 % открытия.
Соответствие диапазона электрического сигнала между выходом модуля и входом подключенного к нему исполнительного механизма обязательно. Модуль ввода/вывода также характеризуются канальностью – числом входов/выходов, а, следовательно, и количеством сигнальных цепей, которые к нему можно подключить. Например, модуль AI4 - это четырехканальный модуль аналогового ввода. К нему можно подключить 4 датчика. DI16 - модуль дискретного ввода, имеющий шестнадцать каналов. К нему можно подключить 16 статусных сигналов от технологических агрегатов.
В современных системах расположение модулей ввода/вывода на базовой плате строго не регламентировано, и их можно устанавливать в произвольном порядке. Однако один или несколько слотов, как правило, зарезервированы под установку коммуникационного модуля. Иногда возможна установка сразу двух коммуникационных модулей, работающих параллельно. Это делается для повышения отказоустойчивости системы ввода/вывода.
Одним их жестких требований, предъявляемых к современным подсистемам ввода/вывода, является возможность “горячей” замены модулей без отключения питания (функция hot swap).
Коммуникационные модули обеспечивают обмен данными между ПЛК, станциями распределенной периферии, интеллектуальными датчиками и исполнительными устройствами. Модули поддерживают один из коммуникационных протоколов:
- Profibus DP;
- Profibus PA;
- Modbus RTU;
- HART;
- CAN и др.
Обмен информацией, как правило, осуществляется с использованием механизма ведущий-ведомый (master-slave). Только ведущее устройство на шине может инициировать обмен данными. Ведомые устройства пассивно прослушивают все данные, идущие по шине, и только в случае получения запроса от ведущего устройства отправляют обратно ответ. Каждое устройство на шине имеет свой уникальный сетевой адрес, необходимый для однозначной идентификации. Узлы ввода/вывода, как правило, являются ведомыми устройствами, в то время как контроллеры - ведущими.
На рисунке 5 показана цифровая полевая шина, объединяющая один контроллер (с монитором) и четыре узла ввода/вывода. Каждое устройство, подключенное к шине, имеет свой уникальный адрес. Пусть, например, ПЛК с адресом 1 хочет считать показание датчика давления. Датчик подключен к станции распределенной периферии с сетевым адресом 5, к модулю AI, расположенному в слоте 6, входной канал 12. Тогда ПЛК формирует и отправляет по шине запрос следующего содержания:
Рис. 5
Каждый узел прослушивает все запросы на шине. Узел 5 узнает, что запрос адресован ему, считывает показание датчика и формирует ответ в виде следующего сообщения:
Контроллер, получив ответ от ведомого устройства, считывает поле данных с датчика и выполняет соответствующую обработку. Пусть, например, после обработки данных ПЛК вырабатывает управляющий сигнал на открытие клапана на 50 %. Управляющий вход клапана подключен к второму каналу модуля AO, расположенного в слоте 3 узла 7. ПЛК формирует команду следующего содержания:
Узел 7, прослушивая шину, встречает адресованную ему команду. Он записывает уставку 50 % в регистр, соответствующий слоту 3, каналу 2. При этом модуль AO формирует на выходе 2 необходимый электрический сигнал. После чего узел 7 высылает контроллеру подтверждение успешного выполнения команды.
Контроллер получает ответ от узла 7 и считает, что команда выполнена. Это всего лишь упрощенная схема взаимодействия контроллера с узлами ввода/вывода. В реальных АСУ ТП, наряду с рассмотренными выше, используется множество диагностических, управляющих и сервисных сообщений. Хотя сам принцип “запрос-ответ” (“команда-подтверждение”), реализованный в большинстве полевых протоколов, остается неизменным.
Напомним еще раз, что наряду с рассмотренной выше схемой ввода/вывода в АСУ ТП могут применяться схемы ввода/вывода через сигнальные модули, установленные непосредственно в слоты (или на профильную рейку) ПЛК (без использования станций распределенной периферии).
2.2 Обработка аналоговых сигналов в процессе ввода в контроллер
Для ввода аналогового сигнала в контроллер и его последующей обработки, он должен быть оцифрован, т.е. преобразован в цифровой код. Процесс обработки сигнала от аналогового датчика до использования в контроллере схематически показан на рисунке 6.
Рис.6
Схема обработки аналогового сигнала при вводе в контроллер
Сигналы от датчиков доводятся до нормированного уровня (4 – 20 mA, 0 – 10 V) нормирующими преобразователями (НП) и проходят этап аналоговой фильтрации. Аналоговые фильтры позволяют устранить высокочастотные шумы, которые могут быть вызваны, например, электромагнитными помехами при передаче сигнала по кабелю.
Необходимо отметить, что сигнал должен быть отфильтрован от высокочастотных шумов до цифровой обработки в контроллере. Это является необходимым условием правильного выбора периода дискретизации при вводе сигнала. Дело в том, что для адекватного восстановления исходного аналогового сигнала по дискретным данным, частота дискретизации должна не менее чем в два раза превышать наивысшую частоту в спектральном разложении вводимого сигнала (спектральный состав может быть получен в результате разложения сигнала в ряд Фурье). При более низкой частоте дискретизации в восстановленном сигнале появится ложная составляющая (так называемая псевдочастота), которую невозможно детектировать и устранить на этапе цифровой обработки. Наличие высокочастотного шума потребует очень высокой частоты дискретизации (частоты опроса датчика), что будет неоправданно загружать контроллер.
Отфильтрованные сигналы от датчиков поступают на аналоговый мультиплексор, основное назначение которого – последовательное подключение сигналов от N датчиков к устройству выборки-хранения (УВХ) и аналого-цифровому преобразователю (АЦП) для дальнейшей обработки. Такая схема позволяет существенно снизить общую стоимость системы ввода за счет применения только одного УВХ и АЦП на все каналы аналогового ввода. УВХ запоминает мгновенное значение сигнала в момент подключения датчика и удерживает его постоянным на своем выходе на время преобразования в АЦП.
В контроллере введенный цифровой сигнал проверяется на физическую достоверность и, при необходимости, проходит этап цифровой (программной) фильтрации.
Изучение и математический анализ АСУ существенно облегчаются, если ее предварительно мысленно расчленить на типовые элементы, выявить физические взаимосвязи между ними и отобразить эти взаимосвязи схематично в какой-либо условной форме.
АСУ может быть разделена на части по различным признакам: назначению частей, алгоритмам преобразования информации, конструктивной обособленности. Соответственно различают следующие структуры и структурные схемы АСУ:
функциональную;
алгоритмическую;
конструктивную.
При этом будем понимать, что:
структура– совокупность связанных между собой частей чего-либо целого;
структурная схема – графическое изображение структуры.
Функциональные и алгоритмические схемы состоят из условных изображений элементов и звеньев (обычно в виде прямоугольников) и различных связей, изображаемых в виде линий со стрелками, показывающих направление передачи воздействий. Каждая линия соответствует обычно одному сигналу или одному воздействию. Около каждой линии указывают физическую величину, характеризующую данное воздействие.
Обычно вначале составляют функциональную схему АСУ, а затем – алгоритмическую. Структурные схемы могут составляться с большей или меньшей степенью детализации. Схемы, на которых показаны лишь главные или укрупненные части АСУ, называются обобщенными (см. рис.1).
Функциональная структурная схема – схема, отражающая функции (целевые назначения) отдельных частей АСУ.
Такими функциями могут быть:
§ получение информации о состоянии объекта управления;
§ преобразование сигналов;
§ сравнение сигналов и т.п.
В качестве частей функциональной структуры (схемы) АСУ рассматриваются функциональныеустройства. Названия устройств указывают на выполнение определенной функции. Например:
§ датчик;
§ усилитель;
§ блок сравнения;
§ управляющий блок;
§ исполнительное устройство и т.п.
Д – датчик – предназначен для получения сигнала, пропорционального определенному
воздействию;
ЭС – элемент сравнения – служит для получения сигнала, пропорционального отклонению управляемой величины x(t) от задающего воздействия x з (t);
КУ – корректирующее устройство – предназначено для улучшения качества управления;
УПБ – усилительно-преобразующий блок – служит для усиления сигнала и придания ему определенной формы;
РО – регулирующий орган – служит для непосредственного воздействия на регулируемую среду (примеры РО: вентиль, задвижка, тиристор и т.п.);
ИУ – исполнительное устройство – предназначено для приведения в действие регулирующего органа (примеры ИУ: электродвигатель, электромагнит и т.п.).
Алгоритмическая схема – схема, представляющая собой совокупность взаимосвязанных алгоритмических звеньев и характеризующая алгоритмы преобразования информации в АСУ.
При этом, алгоритмическое звено - часть алгоритмической структуры АСУ, соответствующая определенному математическому или логическому алгоритму преобразования сигнала. Если алгоритмическое звено выполняет одну простейшую математическую или логическую операцию, то его называют элементарным алгоритмическим звеном . На схемах алгоритмические звенья изображают прямоугольниками, внутри которых записывают соответствующие операторы преобразования сигналов. Иногда вместо операторов в формульном виде приводят графики зависимости выходной величины от входной или графики переходных функций.
Различают следующие виды алгоритмических звеньев:
§ статическое;
§ динамическое;
§ арифметическое;
§ логическое.
Статическое звено – звено, преобразующее входной сигнал в выходной мгновенно (без инерции).
Динамическое звено – звено, преобразующее входной сигнал в выходной в соответствии с операциями интегрирования и дифференцирования во времени.
Арифметическое звено – звено, осуществляющее одну из арифметических операций: суммирование, вычитание, умножение, деление. Наиболее часто встречающееся в автоматике арифметическое звено – звено, выполняющее алгебраическое суммирование сигналов, называют сумматором.
Логическое звено – звено, выполняющее какую-либо логическую операцию: логическое умножение («И»), логическое сложение («ИЛИ»), логическое отрицание («НЕ») и т.д.Входной и выходной сигналы логического звена являются обычно дискретными и рассматриваются как логические переменные.
3. Моделирование в ТАУ
Цель любого управления – изменить состояние объекта нужным образом (в соответствии с заданием). Теория автоматического регулирования должна ответить на вопрос: «как построить регулятор, который может управлять данным объектом так, чтобы достичь цели?» Для этого разработчику необходимо знать, как система управления будет реагировать на разные воздействия, то есть нужна модель системы : объекта, привода, датчиков, каналов связи, возмущений, шумов.
Модель – это объект, который мы используем для изучения другого объекта (оригинала ).
Модель и оригинал должны быть в чем-то похожи, чтобы выводы, сделанные при изучении модели, можно было бы (с некоторой вероятностью) перенести на оригинал. Нас будут интересовать в первую очередь математические модели , выраженные в виде формул. Кроме того, в науке используются также описательные (словесные), графические, табличные и другие модели.
Как строятся модели?
Во-первых, математические модели могут быть получены теоретически из законов физики (законы сохранения массы, энергии, импульса). Эти модели описывают внутренние связи в объекте и, как правило, наиболее точны.
Рассмотрим RLC- цепочку, то есть последовательное соединение резистора с сопротивлением R (в омах ), катушки индуктивности с индуктивностью L и конденсатора с емкостью C . Она может быть описана с помощью двух уравнений, которые и определяют математическую модель цепи:
Второй способ – построение модели в результате наблюдения за объектом при различных входных сигналах. Объект рассматривается как «черный ящик», то есть, его внутреннее устройство неизвестно. Мы смотрим, как он реагирует на входные сигналы, и стараемся подстроить модель так, чтобы выходы модели и объекта совпадали как можно точнее при разнообразных входах.
На практике часто используется смешанный способ: структура модели (вид уравнения, связывающего вход и выход) определяется из теории, а коэффициенты находят опытным путем. Например, общий вид уравнений движения корабля хорошо известен, однако в этих уравнениях есть коэффициенты, которые зависят от многих факторов (формы корпуса, шероховатости поверхности и т.п.), так что их крайне сложно (или невозможно) найти теоретически. В этом случае для определения неизвестных коэффициентов строят масштабные модели и испытывают их в бассейнах по специальным методикам. В авиастроении для тех же целей используют аэродинамические трубы.
Для любого объекта управления можно построить множество различных моделей, которые будут учитывать (или не учитывать) те или иные факторы. Обычно на первом этапе стараются описать объект как можно более подробно, составить детальную модель. Однако при этом будет трудно теоретически рассчитать закон управления, который отвечает заданным требованиям к системе. Даже если мы сможем его рассчитать, он может оказаться слишком сложным для реализации или очень дорогим.
С другой стороны, можно упростить модель объекта, отбросив некоторые «детали», которые кажутся разработчику маловажными. Для упрощенной модели закон управления также получается проще, и с его помощью часто можно добиться желаемого результата. Однако в этом случае нет гарантии, что он будет так же хорошо управлять полной моделью (и реальным объектом). Обычно используется компромиссный вариант. В этом случае, наоборот, начинают с простых моделей, стараясь спроектировать регулятор так, чтобы он «подходил» и для сложной модели. Это свойство называют робастностью (грубостью ) регулятора (или системы), оно означает нечувствительность к ошибкам моделирования. Затем проверяют работу построенного закона управления на полной модели или на реальном объекте. Если получен отрицательный результат (простой регулятор «не работает»), усложняют модель, вводя в нее дополнительные подробности. И все начинается сначала.
АСУ – аббревиатура, которая расшифровывается как Автоматизированные Системы Управления. Ответ на вопрос, что такое АСУ, можно сформулировать следующим образом: это совокупность технических систем и процессов, организационных комплексов и научных методов, которые позволяют обеспечить оптимальное управление сложным техническим процессом или объектом, а также коллективом людей, который имеет одну единую цель.
Вконтакте
Структурная схема АСУ
В структуре любой автоматизированной системы управления можно выделить следующие компоненты:
- Основная часть – включает в себя математическое и информационное обеспечение и техническую часть.
- Функциональна часть – подразумевает конкретные управленческие функции и ряд взаимосвязанных программ.
Системы могут быть элементарными или масштабными и сложными.
Принято различать две структурные разновидности таких систем - автоматизированная система управления техническим процессом (АСУТП) и система организационного управления (АСОУ).
Различия среди этих систем заключаются в характеристиках объекта, которым система будет управлять. АСУТП выстраиваются для управления сложными техническими объектами, механизмами, аппаратами, машинами. АСОУ призваны контролировать функционирование коллективы людей. Соответственно применению АСУ, будут различаться и способы передачи информации – это могут быть документы или разнообразные физические сигналы.
Существует также аббревиатура САУ – система автоматического управления. Её особенность заключается в том, что она некоторое время может действовать без вмешательства человека. Применяются такие системы для управления отельными небольшими объектами.
Применение и основные функции АСУ
АСУ нашли широкое применение в разнообразных сферах промышленного производства. Основные функции систем сводятся к следующему:
Основные принципы АСУ
Впервые принципы действия автоматизированных систем управления, порядок их разработки и создания были сформулированы В.М. Глушковым.
Информационная база АСУ
Информационной базой АСУ можно назвать всю совокупность информации, размещённой на машинных носителях и необходимых для нормального функционирования системы.
Как правило, вся информационная база подразделяется условно на три сектора – генеральный, производный и оперативный.
Технические характеристики АСУ
Под технической базой АСУ принято понимать все технические средства, которые применяют для сбора, накопления и обработки информации, а также для её отображения и передачи. Сюда же можно отнести и исполнительные узлы системы, которые воздействуют на объект управления.
Основные технические элементы и оборудование АСУ – это электронно-вычислительная техника, которая обеспечивает накопление и обработку всех данных, циркулирующих внутри системы. Такая техника позволяет моделировать производственные процессы и строить предложения для управления.
Для построения и управления АСУ применяются два типа электронно-вычислительной техники - учётно-регулирующий и информационно-расчётный.
Информационно-расчётное оборудование находится на высшей иерархической ступени в управленческой системе. Их задачей является решение всех вопросов, связанных с централизованным управлением объектом. Для таких механизмов характерно высокое быстродействие, наличие системы прерываний, переменная длина слова, слоговая обработка вводных данных.
Нижний уровень системы управления, как правило, отдаётся учётно-регулирующим механизмам и оборудованию. Эти механизмы, как правило, размещаются непосредственно на участках или в производственных цехах. В их задачу входит сбор вводных данных от объектов управления и первичная обработка этой информации с последующей передачей её в информационно-расчётное отделение и получением плановой директивной информации. Кроме того, учётно-регулирующая часть оборудования занимается локальными расчётами и вырабатывает управляющие воздействия на объекты управления в случае возникновения отклонений от расчётных функций. Эта часть системы управления имеет хорошо развитую связь с большим количеством источников информации и устройств регулирования.
Механические средства сбора и отображения информации
Если системой предусмотрен сбор и обработка информации с участием человека, в неё включаются различные регистраторы, которые позволяют получать исходные данные непосредственно с рабочих мест. Сюда же относятся всевозможные температурные датчики, таймеры, измерители количества произведённых деталей и прочее подобное оборудование. Монтируются также автоматические фиксаторы отклонений в производственном процессе, которые регистрируют и передают в систему сведения об отсутствии материалов, инструментария, транспортных средств для отправки изготовленных продуктов, а также неправильности в работе станков. Подобная аппаратура устанавливается не только в производственных помещениях, но и на складах для хранения сырья и готовой продукции.
К средствам отображения данных относятся все устройства, позволяющие вывести информацию в наиболее доступном для человека виде. Сюда относятся всевозможные мониторы, табло и экраны, печатающие устройства, терминалы, индикаторы и пр. Эти устройства связаны напрямую с центральным процессором вычислительной машины и могут выдавать информацию либо регламентировано, либо эпизодически – по запросу оператора или же в случае возникновения аварийной ситуации.
В состав технической базы автоматизированных систем управления входят также разнообразные виды оргтехники, контрольно-измерительные и учётные приборы, которые обеспечивают нормальное функционирование основных технических узлов.
Является схема управления в режимесбора данных
. При этом подсоединяется к технологическому процессуспособом, выбранным инженером-технологом.
Подсоединение осуществляетсяпосредством сопряжения с объектом (УСО). Измеря-емые величиныпреобразуются в цифровую форму. Эти величины по соответст-вующим формулампреобразуются в единицы. Например, для вычис-лениятемпературы, замеряемой с помощьютермопары,можетиспользоватьсяформула T = A * U2 + B * U + C ,гдеU–напряжениенавыходетермопары;A, B и C – коэффициенты. Результатывычислений регистрируются устройствами вывода для последующего изучения технологическогопроцесса в различных условиях его прохождения. На основе этого можно построитьили уточнить математическую модель управляемого процесса.
Данный режим неоказывает прямого воздействия натехнологический процесс. Здесь нашел осторожный подход к внедрению методовуправления в АСУТП. Однако данная схема используется как одна из обязательныхподсхем управления в других более сложных схемах управлениятехнологическимипроцессами.
В
данной схеме АСУТП работаетв темпе выполнения технологического процесса. Контур управления разомкнут, т.е.выходы АСУТП не связаны с органами, управляющими технологическими процессами.Управляющие воздействия осуществляются оператором-технологом
,получающимрекомендацииотЭВМ.
Все необходимыеуправляющие воздействия вычисляются ЭВМ всоответствии с моделью технологического процесса, результаты вычисленийпредоставляются оператору в печатном виде (или в виде сообщений на дисплее).Оператор управляет процессом, изменяя установки .
Регуляторыявляются средствами поддержания оптимального управления технологическимпроцессом. Оператор выполняет роль следящего и управляющего , усилиякоторого АСУТП непрерывно и безошибочно направляетнаоптимизацию выполнения технологическогопроцесса.
Основнойнедостаток этой схемы управления заключается в присутствиичеловека в цепи управления. При большом числевходных и выходных переменных такая схема управления не может применяться из-заограниченных психофизических возможностей человека. Однако управление этоготипа имеет и преимущества. Оно удовлетворяет осторожного подхода кновым методам управления.
Режим советчика обеспечивает хорошие возможности дляпроверки новых моделей технологических процессов. АСУТП может отслеживатьвозникновение аварийных ситуаций, так чтооператор имеет возможность уделять больше внимания работе с установками, приэтом АСУТП может следить забольшимчисломаварийныхситуаций,чемоператор.
Супервизорноеуправление.
В
этой схеме АСУТП используется в замкнутомконтуре, т.е.установкирегуляторамзадаютсянепосредственносистемой.
- Управлениеавтоматизированной транспортно-складской . В такой системе ЭВМ выдаетадреса стеллажных ячеек, а система локальной автоматики кранов-штабелёров отрабатываетперемещение их в соответствии с этими адресами.
- Управлениеплавильными печами. ЭВМ вырабатывает значения уставок для управления режимамиработы электрических печей, а локальная автоматика по командам ЭВМ управляетпереключателями трансформаторов.
- Станки с числовымпрограммным управлением.
Непосредственное цифровое управление.
В
режиме непосредственного цифрового управления
(НЦУ) сигналы,используемые для приведения в действие управляющих органов, поступают из АСУТП,а регуляторы вообще исключаются из системы управления. Регуляторы – этоаналоговые вычислители, которые решают одноуравнение в реальном масштабе времени, например такого вида:
где y может обозначать положениеклапана; k0, k1, k2, k3 – параметры настройки,благодаря которым регулятор можно настроить на работу в различных режимах;X - разность междуизмеряемой величиной и уставкой. Если X не =0, то для выведения процесса на заданный режим требуетсяперемещение управляющего органа.
Если регуляториспользует для своей работы два первых члена уравнения, то он называется .Если используются три первых члена, то регулятор - пропорционально-интегральный ,и если - все члены уравнения, то регулятор - пропорционально-интегрально-дифференциальный .
Концепция НЦУпозволяет заменить регуляторы с задаваемой уставкой. Рассчитываются реальныевоздействия, которые в виде соответствующих сигналов передаются непосредственнона управляющие органы. Схема НЦУ показана на рисунке:
Введены обозначения:
УО – управляемый объект
Д – датчик.
Уставкивводятся в АСУ оператором или ЭВМ, выполняющей расчеты по оптимизации процесса.Оператор должен иметь возможность изменять уставки, контролировать некоторыеизбранные переменные, изменять диапазоны допустимого изменения измеряемыхпеременных, изменять параметры настройки, а также должен иметь доступ куправляющей программе. Одно из главных преимуществ режима НЦУ заключается ввозможности изменения алгоритмов управления путем внесенияизменений в управляющую программу. Основнойнедостаток схемы непосредственного цифрового управления – возможность системы при отказе ЭВМ.
Основным элементом системы являются блоки управления (БУ) электролизёром. Каждый блок управляет двумя ваннами, кроме БУ. установленных у торцов корпусов, каждый из которых управляет одной ванной. Соответственно, в каждом корпусе на 98 ванн (1 и 2 корпуса электролизного цеха) установлено по 50 БУ. Все блоки объединены в единую сеть корпуса электролиза, В эту же сеть включены компьютер верхнего уровня (АРМ оператора корпуса) и контроллер тока/напряжения серии (КТНС). АРМ операторов корпусов соединены по сети Ethernet с АРМ технолога.
Блок управления ТРОЛЛЬ
Блоки управления ТРОЛЛЬ производятся на заводе СПУ (Санкт-Петербург). При проектировании блока и выборе комплектующих учитывались многие типичные для России неисправности. Например, кнопки ручного управления и пускатели двигателей не имеют движущихся частей, что исключает их залипание от попадания влаги или грязи. Реализована, разумеется, и многоуровневая программная защита от различных аппаратных сбоев.
Простота и удобство обслуживания обеспечиваются модульной конструкцией на разъёмах, что делает возможным быструю замену отдельных блоков.
БУ ТРОЛЛЬ установлены в корпусе электролиза рядом с электролизёрами, Размеры блока составляют 1600х600х400 мм (высота/ширина/глубина).
В нижней части блока находятся силовые модули управления двигателями привода анодной рамы, а также клеммные колодки, к которым подключается оборудование электролизёра и подводится питание БУ. На дверце нижней части расположены автоматы-расцепители питания двигателей.
В верхней части блока находится контроллер MicroPC фирмы Octagon вместе с модулями оптической развязки фирмы Grayhill. Все входы и выходы блока управления имеют гальваническую развязку. В верхней же части находятся модули термостатирования БУ, в том числе нагреватели и вентиляторы, обеспечивающие постоянную положительную температуру внутри блока.
На дверце верхней части расположена панель индикации и управления блоком, состоящая из двух светодиодных дисплеев индикации параметров работы электролизёров, совмещенных с мембранными клавиатурами управления электролизёрами. Посередине расположена мембранная клавиатура выбора режима индикации. Панель, управляемая отдельным микроконтроллером, позволяет:
отображать до 64 различных параметров работы электролизёров и блока управления;
задавать уставочные значения параметров управления электролизёрами;
осуществлять переключение между ручным, автоматическим и специальными режимами управления;
управлять в ручном режиме двигателями анода и системами автоматической подачи глинозема.
Следует отметить, что все сигналы ручного управления проходят через контроллер MicroPC. Надежность канала (клавиатура контроллер М1сгоРС модули опторазвязки оборудование) не уступает применяемым обычно для этого релейным схемам, при этом контроллер «знает» о ручных воздействиях, протоколирует их и учитывает при дальнейшем автоматическом управлении, а также может ограничивать или запрещать их при определенных условиях, исправляя грубые ошибки персонала.
Над панелью размещены лампы индикации 3-фазного напряжения двигателей и аварийной сигнализации.
В состав контроллера блока управления входят: процессорная плата 5025А (процессор - i386SX-25 МЩ; оперативная память - 1 Мбайт; энергонезависимая память - 512 Кбайт; флэш-диск - 512 Кбайт; операционная система - ROM-DOS 6.22), две платы ввода/вывода 5648 и сетевая плата Arcnet 5560. Контроллер получает сигналы с 2 аналоговых и 25 дискретных входов и управляет 22 дискретными выходами (все входы/выходы с оптической развязкой 1.5-4 кВ).Дополнительно может быть установлено до 14 аналоговых входов, 34 дискретных входов и 6 дискретных выходов. Следует отметить, что характеристики контроллера на порядок превосходят аналогичные параметры других систем, где типичный контроллер пмсе"1 1 быстродействие 16-разрядного процессора с тактовой частотой
имеет быстродействие 16-разрядного процессора с тактовой частотой 10-16МГц при памяти в 16-б4 Кбайт. Избыточная же мощность контроллера MicroPC позволила реализовать некоторые алгоритмы, принципиально невозможные в других системах. Блоки поставляются с оригинальным программным обеспечением, соответствующим реальному оборудованию завода (оперативная доработка базового ПО в соответствии с ТЗ заказчика). Программное обеспечение контроллера является открытым. Добавление новых или изменение существующих алгоритмов возможно не только при поставке специалистами АО ТоксСофт. но и заводскими программистами в процессе эксплуатации.
Разработанные для системы алгоритмы были проверены и отработаны на Саянском алюминиевом заводе в течение двух лет. В процессе отработки не было ни одного сбоя в работе алгоритмов и была подтверждена эффективность их работы с различными типами электролизёров.
