Системы автоматизированного управления (стр. 6 )

При создании АСУ ТП должны быть определены конкретные цели функционирования системы и ее назначение в общей структуре управления предприятием. Такими целями, например, могут быть [13]:

- экономия топлива, сырья, материалов и других про­изводственных ресурсов;

- обеспечение безопасности функционирования объекта;

- повышение качества выходного продукта или обеспечение заданных значений параметров выходных продуктов;

- снижение затрат живого труда;

- достижение оптимальной загрузки оборудования;

- оптимизация режимов работы технологического оборудования (в том числе маршрутов обработки в дискретных производствах) и т. д.

Функция АСУ ТП – это совокупность действий системы, направленных на достижение частной цели управления. Совокупность действий системы представляет собой последовательность операций, выполняемых частями системы. Функции АСУ ТП подразделяются на управляющие, информационные и вспомогательные.

Управляющая функция АСУ ТП – это функция, результатом которой являются выработка и реализация управляющих воздействий на технологический объект управления.

К управляющим функциям АСУ ТП относятся:

- регулирование (стабилизация) отдельных технологических переменных;

- однотактное логическое управление операциями или аппаратами;

- программное логическое управление группой оборудования;

- оптимальное управление установившимися или переходными технологическими режимами или отдельными стадиями (участками) процесса;

- адаптивное управление объектом в целом (например, самонастраивающимся комплексно-автоматизированным участком станков с числовым программным управлением).

Информационная функция АСУ ТП – это функция системы, содержанием которой являются сбор, обработка и представление информации о состоянии АТК оперативному персоналу или передача этой информации для последующей обработки.

К информационным функциям АСУ ТП относятся:

- централизованный контроль и измерение технологических параметров;

- косвенное измерение (вычисление) параметров процесса (технико-экономических показателей, внутренних переменных);

- формирование и выдача данных оперативному персоналу АСУ ТП;

- подготовка и передача информации в смежные системы управления;

- обобщенная оценка и прогноз состояния АТК и его оборудования.

Отличительной особенностью управляющих и информационных функций АСУ ТП является их направленность на конкретного потребителя (объект управления, оперативный персонал, смежные системы управления).

Вспомогательные функции АСУ ТП – это функции, обеспечивающие решение внутрисистемных задач. Вспомогательные функции не имеют потребителя вне системы и обеспечивают функционирование АСУ ТП (функционирование технических средств системы, контроль за их состоянием, хранением информации и т. п.).

В зависимости от степени участия людей в выполнении функций системы различаются два режима реализации функций: автоматизированный и автоматический.

4.1.2. Режимы работы АСУ ТП

Автоматизированный режим реализации управляющих функций характеризуется участием человека в выработке (принятии) решений и их реализации.

При этом возможны следующие варианты:

- ручной режим, при котором комплекс технических средств представляет оперативному персоналу контрольно-измерительную информацию о состоянии ТОУ, а выбор и осуществление управляющих воздействий производит человек-оператор;

- режим «советчика», при котором комплекс технических средств вырабатывает рекомендации по управлению, а решение об их использовании принимается и реализуется оперативным персоналом;

- диалоговый режим, при котором оперативный персонал имеет возможность корректировать постановку и условия задачи, решаемой комплексом технических средств системы при выработке рекомендаций по управлению объектом.

Автоматический режим реализации управляющих функций предусматривает автоматическую выработку и реализацию управляющих воздействий.

При этом различают:

- режим косвенного управления, когда средства вычислительной техники автоматически изменяют установки и параметры настройки локальных систем автоматического управления (регулирования);

- режим прямого (непосредственного) цифрового (или аналого-цифрового) управления, когда управляющее вычислительное устройство формирует воздействие на исполнительные механизмы.

Автоматизированный режим реализации АСУ ТП информационных функций АСУ ТП предусматривает участие людей в операциях по получению и обработке информации. В автоматическом режиме все необходимые процедуры обработки информации реализуются без участия человека.

4.1.3. Основные компоненты АСУ ТП

Для выполнения функций АСУ ТП необходимо взаимодействие следующих ее составных частей: технического обеспечения; программного обеспечения; информационного обеспечения, организационного обеспечения; оперативного персонала.

Техническое обеспечение АСУ ТП представляет собой полную совокупность технических средств, достаточную для функционирования АСУ ТП и реализации системой всех ее функций. В состав комплекса технических средств (КТС АСУ ТП) входят вычислительные и управляющие устройства; средства получения (датчики), преобразования, хранения, отображения и регистрации информации (сигналов); устройства передачи сигналов и исполнительные устройства.

Программное обеспечение АСУ ТП – совокупность программ, необходимая для реализации функций АСУ ТП, заданного функционирования комплекса технических средств АСУ ТП и предполагаемого развития системы. Программное обеспечение АСУ ТП подразделяется на общее программное обеспечение и специальное программное обеспечение.

Общее программное обеспечение АСУ ТП поставляется в комплекте со средствами вычислительной техники. К общему программному обеспечению АСУ ТП относятся необходимые в процессе функционирования и развития системы программы, программы для автоматизации разработки программ, компоновки программного обеспечения, организации функционирования вычислительного комплекса и другие служебные и стандартные программы (организующие программы, транслирующие программы, библиотеки стандартных программ и др.).

Специальное программное обеспечение АСУ ТП разрабатывается или заимствуется из соответствующих фондов при создании конкретной системы и включает программы реализации основных (управляющих и информационных) и вспомогательных (обеспечение заданного функционирования КТС системы, проверка правильности ввода информации, контроль за работой КТС системы и т. п.) функций АСУ ТП.

Специальное программное обеспечение АСУ ТП разрабатывается на базе и с использованием программ общего программного обеспечения. Программы специального программного обеспечения, имеющие перспективу многократного использования после промышленной проверки, могут передаваться в соответствующие фонды или заводам-изготовителям вычислительной техники для включения их в состав общего программного обеспечения.

Информационное обеспечение АСУ ТП включает:

- информацию, характеризующую состояние автоматизированного технологического комплекса;

- системы классификации и кодирования технологи­ческой и технико-экономической информации;

- массивы данных и документов, необходимых для выполнения всех функций АСУ ТП, в том числе нормативно-справочную информацию.

Организационное обеспечение АСУ ТП представляет собой совокупность описаний функциональной, технической и организационной структур, инструкций и регламентов для оперативного персонала автоматизированной системы управления технологическим процессом, обеспечивающую заданное функционирование оперативного персонала в составе АТК.

В состав оперативного персонала АСУ ТП входят:

- технологи-операторы, осуществляющие контроль за работой и управление ТОУ с использованием информации и рекомендаций по рациональному управлению, выработанных комплексом технических средств АСУ ТП;

- эксплуатационный персонал АСУ ТП, обеспечиваю­щий правильность функционирования комплекса технических средств АСУ ТП.

Ремонтный персонал в состав оперативного персонала АСУ ТП не входит.

Создание АСУ ТП допускается осуществлять по подсистемам.

Подсистема АСУ ТП – это часть системы, выделенная по функциональному или структурному признаку.

Функциональный признак позволяет делить систему, например, на управляющую и информационную подсистемы или ряд подсистем в соответствии с целями функционирования. Структурный признак позволяет делить АСУ ТП на подсистемы, обеспечивающие управление частью объекта или соответствующие самостоятельным частям комплекса технических средств и т. д.

4.1.4. Особенности разработки АСУ ТП

Необходимым условием принадлежности системы к АСУ ТП является обязательное выполнение ею информационных и управляющих функций в минимальном объеме. Объем выполняемых функций может наращиваться в различных вариантах в зависимости от целей построения АСУ ТП [11, 13].

Особенности разработки АСУ ТП на уровне подсистем заключаются в том, что подсистемы обычно расчленяются на отдельные элементы со строго определенной целевой функцией каждого из них. В связи с этим при разработке АСУ ТП могут быть использованы типовые решения систем автоматизированного проектирования каждого элемента системы.

В системе можно выделить следующие элементы: технологический объект управления, устройство связи с объектом, процессор, устройство кодирования и преобразования информации, информационную часть системы.

В настоящее время в области АСУ ТП господствующей является концепция открытых систем на основе системной интеграции, базирующаяся на следующих принципах [8]:

- совместимость программно-аппаратных средств различных фирм производителей снизу вверх;

- комплексная проверка и отладка всей системы на стенде фирмы-интегратора на основе спецификации заказчика.

В большинстве случаев АСУ ТП представляет двухуровневую систему управления.

Нижний уровень включает контроллеры, обеспечивающие первичную обработку информации, поступающей непосредственно с объекта управления. Программное обеспечение контроллеров обычно реализуется на языках технологического программирования.

Верхний уровень АСУ ТП составляют мощные компьютеры, выполняющие функции серверов баз данных и рабочих станций, обеспечивающих хранение, анализ и обработку всей поступающей информации, а также взаимодействие с оператором. Основой программного обеспечения верхнего уровня часто являются пакеты SCADA (Supervision Control And DATA Acquisition).

Наглядно концепция открытых систем прослеживается в открытой модульной архитектуре контроллеров – ОМАС (Open Modular Architecture Controls), разработанной фирмой «General Motors».

Близкие к ним концепции предложены европейскими (European Open Systems Architecture for Control within Automation Systems – OSACA), японскими (Japan International Robotics and Factory Automation – IFORA; Japan Open Systems Environment for Controller Architecture – OS EC) и американскими (Technologies Enabling Agile Manufacting – TEAM Projects) организациями.

Содержание ОМАС-требований заключается в основных терминах:

- Open – открытая архитектура, обеспечивающая интеграцию аппаратного и программного обеспечения;

- Modular – модульная архитектура, позволяющая использовать компоненты в режиме Plug and Play;

- Scaleable – масштабируемая архитектура, позволяющая легко изменять конфигурацию для конкретных задач;

- Economical – экономичная архитектура;

- Maintenable – легко обслуживаемая архитектура.

Аппаратная платформа контроллеров базируется на PC-совместимых компьютерах, обладающих высокой надежностью, быстродействием, совместимостью с компьютерами верхнего уровня.

Операционная среда РС-контроллеров также должна удовлетворять требованиям открытости. Здесь наиболее распространена операционная система QNX (фирма QSSL, Канада), архитектура которой является открытой, модульной, легко модифицируемой.

Специфика работы с контроллерами – использование языков технологического программирования, описывающих технологический процесс и ориентированных на работу не программистов, а технологов. Для иллюстрации на рис. 4.1 представлен фрагмент программы на технологическом языке программирования контроллеров – Teprol, разработанном в -Э», г. Омск.

Рис. 4.1. Фрагмент программы формирования задания регулятору на

технологическом языке Teprol (разработка -Э», г. Омск)

АЭС (разработка ЗАО «Автоматика-Э», г. Омск, 2008 г.) " width="62" height="662"/>

АСУ ТП работают в реальном масштабе времени и строятся на основе средств вычислительной техники, позволяющих получать на выходе системы электрические сигналы, используемые как для управления исполнительными механизмами рабочих органов, так и для передачи в смежные и вышестоящие системы (например, АСУП).

Примером современных отечественных АСУ ТП могут служить разработанные в -Э» для нужд Калининской АЭС:

– автоматизированная система управления технологическими процессами спецводоочистки энергоблока № 3 (рис. 4.2);

– информационно-вычислительная система энергоблока № 1 (рис. 4.3).

Названные АСУ ТП имеют двухуровневую структуру. Контроллеры нижнего уровня осуществляют сбор и обработку информации о непосредственно измеряемых параметрах со всех видов аналоговых датчиков (токовых, напряжения, термопреобразователей и т. д.) от дискретных датчиков всех видов (потенциальных, беспотенциальных, «сухой контакт»). Формируют управляющие воздействия на исполнительные механизмы (двигатели, задвижки, насосы и т. д.) в соответствии с технологическими алгоритмами.

Все компоненты технических средств данных АСУ ТП являются стандартизованными, модульными и заменяемыми. В системах выполняется автоматический контроль достоверности передаваемой и обрабатываемой информации, самодиагностика технических и программных средств. Программное обеспечение контроллеров, состоящее из ПО процессорных модулей УСО и ПО сетевых модулей, реализует вычислительный процесс в жестком цикле без использования операционной системы. За счет развитой системы прерываний с использованием сторожевых таймеров (Watch-dog) в ПО программируемых контроллеров обеспечивается защита от зацикливаний и зависаний. Передача информации на рабочие станции верхнего уровня осуществляется по дублированной сети Ethernet.

До настоящего времени эволюция систем автоматизации технологических объектов сопровождалась повышением степени централизации управления. В последнее время изменились сами технологические процессы. Технология непрерывно усложняется, увеличиваются требования к точности поддержания технологических процессов, к экономии сырья и энергии, защите окружающей среды.

Создание децентрализованных АСУ ТП на базе микропроцессорной техники позволяет физически приблизить вычислительные устройства к источникам и потребителям информации. Динамическое распределение вычислительных задач между отдельными контроллерами позволяет повысить надежность системы. В аварийных ситуациях в одних системах осуществляется реконфигурация с перераспределением функций между контроллерами, в других – переход на резервное оборудование. Благодаря этому децентрализованная система при авариях не отказывает, а лишь постепенно деградирует. В децентрализованных АСУ ТП остается централизация операторских функций.

В качестве примера децентрализованной АСУ ТП рассмотрим разработанные в -Э» системы управления, реализованные на базе микропроцессорных выносных локальных регуляторов (ВЛР). Цифровые регуляторы ВЛР, являющиеся микроконтроллерами, предназначены для создания и комплексной модернизации автоматизированных систем АЭС и ТЭС. На рис. 4.4 приведена схема децентрализованной АСУ ТП на базе микропроцессорных регуляторов ВЛР.

На рис. 4.5 показано применение ВЛР на одном из объектов внедрения: в системе автоматического регулирования быстродействующей редукционной установкой сброса пара в конденсатор турбины (САР БРУ-К) Кольской АЭС.

Рис. 4.4. Схема децентрализованной АСУ ТП на базе микропроцессорных

регуляторов ВЛР (разработка -Э», г. Омск, 2009 г.)

Рис. 4.5. САР БРУ-К на базе микропроцессорных регуляторов ВЛР

для энергоблока АЭС с ВВЭР (разработка -Э», г. Омск, 2010 г.)

При интеграции АСУ ТП и АСУП реализуются интегрированные (ИАС). Высокоавтоматизированная разновидность ИАС, использующая современный подход к проектированию, получила название гибкий автоматизированный завод. За рубежом подобные системы называют компьютерными интегрированными производствами (Computer Integrated Manufacturing – CIM). В интегрированных АС производства, приспосабливаясь к спросу потребителя, становятся динамичными, что, в свою очередь, влечет необходимость автоматизации конструкторской и технологической подготовки, прежде всего в части формирования новой продукции.

4.2. Автоматизированные системы управления
предприятием (АСУП)

4.2.1. Структурные уровни обработки данных в АСУП. Организационная структура предприятия

АСУП должна обеспечить решение задач всех уровней с максимальной интеграцией основных этапов обработки данных. Эффективность функционирования такой системы обеспечивается соблюдением принципов организационной, технической, информационной и программной совместимости решения задач каждого уровня управления.

С точки зрения технологии обработки данных АСУП определяется как совокупность процессов сбора, регистрации и передачи необходимого минимума первичных сообщений, их преобразования, формирования отбора и выдачи нужной информации пользователям всех рангов управления.

Исходя из этого процесс проектирования АСУП можно рассматривать на трех взаимно обусловленных структурных уровнях: базовом, процедурном, функциональном [16].

Выделение этих уровней позволяет детализировать весь процесс автоматизации обработки информации.

Базовый уровень характеризует процессы образования первичных данных, их регистрации, сбора и передачи. На этом уровне определяются характеристики движения первичных данных, формируются количественные оценки потоков, маршруты следования документов, временные характеристики источников информации, характеристики ее качества (оценки актуальности, полноты, достоверности методов получения необходимой совокупности данных (регистрации, сбора формирования) на базе средств периферийной техники).

Методическое информационное единство на базовом уровне достигается:

- совместимостью различных задач управления;

- интеграцией обработки данных с учетом принципа однократности их ввода на базовом уровне при многократном их использовании на процедурном и функциональном уровнях;

- учетом требований технологии последующей машинной обработки информации и обеспечения взаимосвязи различных знаковых систем идентификации информации.

Процедурный уровень реализует процессы преобразования данных и сообщений, поступающих с базового уровня системы. Он обусловливается методами накопления, хранения и обработки данных, обеспечивающими:

- независимость логической организации массивов информации;

- программную организацию, модульную структуру ПО;

- максимальную эффективность при удовлетворении запросов пользователей.

Связь между базовыми и процедурными уровнями осуществляется посредством взаимодействия соответствующих баз данных и используемым комплексом технических средств. Именно на процедурном уровне осуществляется селекция и отбор информации. Из всей совокупности преобразуемых данных такой отбор реализуется в зависимости от назначения соответствующей информации, определяемого функциональным уровнем.

Если определяющим условием организации информационных процессов на базовом и процедурном уровнях является оперативность многократной комплексной обработки данных, то для функционального уровня существенным является минимизация объемов используемой информации с четким разграничением ее между пользователями.

Функциональный уровень отражает реализацию результатов преобразования данных и передачу информации в функциональные подразделения управляемого объекта. Структура и состав информации на этом уровне полностью определяются требованиями пользователя и методами формирования и выдачи конечных результатов.

На функциональном уровне обеспечивается возможность удовлетворить информационные потребности пользователей всех рангов в направлениях плановой, учетной информации (параметры и характеристики объектов производственного процесса); информации для принятия управленческих решений при изменении ситуаций, зависящих от внешних и внутренних факторов.