Глава 2. Основные понятия и определения.
2.1 Основные термины и определения
2.1.1. Исполнительные устройства
2.1.2. Блок-схемы (структурные схемы) САР
2.1.3. Основные требования к САР
2.2 Иерархическая структура систем управления химическими предприятиями
2.2.1. Автоматизированная система управления предприятием (АСУП)
2.2.2. Автоматизированная система управления производством (АСУПр)
2.2.3. Локальные автоматические системы (ЛСУ) для автоматизации технологических процессов
2.2.4. Автоматизация управления технологическими процессами
2.3 Классификация систем управления ХТП
2.4 Этапы анализа и синтеза САР
Тест по главе 2.
2.1.1. Исполнительные устройства
2.1.2. Блок-схемы (структурные схемы) САР
2.1.3. Основные требования к САР
2.2 Иерархическая структура систем управления химическими предприятиями
2.2.1. Автоматизированная система управления предприятием (АСУП)
2.2.2. Автоматизированная система управления производством (АСУПр)
2.2.3. Локальные автоматические системы (ЛСУ) для автоматизации технологических процессов
2.2.4. Автоматизация управления технологическими процессами
2.3 Классификация систем управления ХТП
2.4 Этапы анализа и синтеза САР
Тест по главе 2.
Управление – совокупность действий, направленных на поддержание или улучшение функционирования управляемого объекта в соответствии с заданной целью управления.
Автоматическое управление – управление без непосредственного участия человека.
Разновидность управления технологическим процессом – регулирование – это поддержание на заданном значении или изменение по заданному закону переменных состояния процесса.
Регулирование может быть как ручным, когда изменения регулирующих воздействий выполняется человеком, так и автоматическим, при котором воздействие на процесс осуществляется без участия человека. В дальнейшем мы будем рассматривать только автоматическое регулирование.
Технологический объект управления (ТОУ) – совокупность технологического оборудования и реализуемого на нем технологического процесса, подлежащего управлению.
Любой технологический процесс можно охарактеризовать следующими основными группами переменных:
Автоматическое управление – управление без непосредственного участия человека.
Разновидность управления технологическим процессом – регулирование – это поддержание на заданном значении или изменение по заданному закону переменных состояния процесса.
Регулирование может быть как ручным, когда изменения регулирующих воздействий выполняется человеком, так и автоматическим, при котором воздействие на процесс осуществляется без участия человека. В дальнейшем мы будем рассматривать только автоматическое регулирование.
Технологический объект управления (ТОУ) – совокупность технологического оборудования и реализуемого на нем технологического процесса, подлежащего управлению.
Любой технологический процесс можно охарактеризовать следующими основными группами переменных:
1. Переменные, характеризующие состояние процесса (вектор х). Их необходимо регулировать, поэтому называются они регулируемыми величинами. Регулируемые величины необходимо измерять прямыми или косвенными методами.
Объект с одной регулируемой величиной называют одномерным, с двумя и более – многомерным.
2. Переменные, изменением которых можно воздействовать на состояние процесса с целью управления (вектор хр) – регулирующие воздействия. Обычно регулирующими воздействиями служат изменения расходов материальных потоков или потоков энергии.
3. Переменные, оказывающие влияние на состояние технологического процесса, но изменение которых не связано с целенаправленным управляющим воздействием (вектор хв). Эти изменения отражают влияние на процесс внешних условий, изменения характеристик самого процесса и т. п. Их называют возмущающими воздействиями (возмущениями).
Вектор возмущений можно разбить на две составляющие – первую можно измерить (контролируемые возмущения), вторую – нет (неконтролируемые).
Возмущающие воздействия обычно оказывают негативное влияние на ход технологического процесса. В отсутствие возмущений процесс протекал бы при заданных условиях, и никакого регулирования бы не потребовалось.
Значение регулируемой величины, которое необходимо поддерживать постоянным, называется заданным значением регулируемой величины xзд или SP (Setpoint).
Значение регулируемой величины в данный момент времени называется действительным или текущим значением регулируемой величины x или PV (Process Variable).
Автоматический регулятор (АР) – техническое устройство, выполняет регулирование, вырабатывая регулирующее воздействие на объект. АР заменяет человека (оператора) в решении задачи регулирования.
АР воздействует на процесс не непосредственно, а через исполнительное устройство (ИУ), которое изменяет расход материального или энергетического потока (например, регулирующий клапан или задвижка).
Система, состоящая из объекта регулирования и хотя бы одного автоматического регулятора, воздействующего на него, называется системой автоматического регулирования (САР).
Функциональная схема простейшей САР приведена на рисунке.
Объект с одной регулируемой величиной называют одномерным, с двумя и более – многомерным.
2. Переменные, изменением которых можно воздействовать на состояние процесса с целью управления (вектор хр) – регулирующие воздействия. Обычно регулирующими воздействиями служат изменения расходов материальных потоков или потоков энергии.
3. Переменные, оказывающие влияние на состояние технологического процесса, но изменение которых не связано с целенаправленным управляющим воздействием (вектор хв). Эти изменения отражают влияние на процесс внешних условий, изменения характеристик самого процесса и т. п. Их называют возмущающими воздействиями (возмущениями).
Вектор возмущений можно разбить на две составляющие – первую можно измерить (контролируемые возмущения), вторую – нет (неконтролируемые).
Возмущающие воздействия обычно оказывают негативное влияние на ход технологического процесса. В отсутствие возмущений процесс протекал бы при заданных условиях, и никакого регулирования бы не потребовалось.
Значение регулируемой величины, которое необходимо поддерживать постоянным, называется заданным значением регулируемой величины xзд или SP (Setpoint).
Значение регулируемой величины в данный момент времени называется действительным или текущим значением регулируемой величины x или PV (Process Variable).
Автоматический регулятор (АР) – техническое устройство, выполняет регулирование, вырабатывая регулирующее воздействие на объект. АР заменяет человека (оператора) в решении задачи регулирования.
АР воздействует на процесс не непосредственно, а через исполнительное устройство (ИУ), которое изменяет расход материального или энергетического потока (например, регулирующий клапан или задвижка).
Система, состоящая из объекта регулирования и хотя бы одного автоматического регулятора, воздействующего на него, называется системой автоматического регулирования (САР).
Функциональная схема простейшей САР приведена на рисунке.
Регулирующее воздействие, формируемое АР, должно зависеть от значения регулируемой величины, измеряемой измерительным преобразователем (датчиком). Чтобы АР «знал», на каком именно уровне необходимо поддерживать регулируемую величину, на вход АР подается не само значение регулируемой величины, а сигнал рассогласования E между заданным значением регулируемой величины xзд и ее текущим (измеренным в данный момент времени t) значением x:
Если целью регулирования является изменение регулируемой величины по какому-либо закону, то величина задания будет изменяться с течением времени (хзд ≠const), и формула примет следующий вид:
Сигнал задания (другие названия: «задание», «заданная точка», «уставка»), вырабатывается узлом формирования задания (задатчиком). Сигнал задания подается на положительный вход сумматора – устройства, рассчитывающего сумму (с учетом знаков – разность) между значениями сигналов на двух своих входах. На отрицательный вход сумматора подается измеренное значение регулируемой величины. Рассчитанный сумматором сигнал рассогласования E поступает на вход регулятора.
Значение сигнала рассогласования E также называют ошибкой регулирования.
Регулирующее воздействие, вырабатываемое регулятором, является функцией величины ошибки регулирования.
Задача регулятора состоит в таком управлении исполнительным устройством, чтобы сигнал рассогласования E свести к нулю при наличии возмущений. То, насколько успешно регулятор справляется со своей задачей, называют качеством регулирования или точностью регулирования. Существует несколько критериев качества регулирования, о них пойдет речь в одной из следующих глав.
Значение сигнала рассогласования E также называют ошибкой регулирования.
Регулирующее воздействие, вырабатываемое регулятором, является функцией величины ошибки регулирования.
Задача регулятора состоит в таком управлении исполнительным устройством, чтобы сигнал рассогласования E свести к нулю при наличии возмущений. То, насколько успешно регулятор справляется со своей задачей, называют качеством регулирования или точностью регулирования. Существует несколько критериев качества регулирования, о них пойдет речь в одной из следующих глав.
2.1.1. Исполнительные устройства
Исполнительное устройство (ИУ) состоит из рабочего органа (РО) и исполнительного механизма (ИМ). Рабочий орган – элемент ИУ, непосредственно воздействующий на материальный или энергетический поток. Исполнительный механизм – техническое устройство, приводящее рабочий орган в действие.
Исполнительное устройство, применяющееся в системах регулирования, иногда называют регулирующим органом (не путать с рабочим органом).
Наиболее распространенное ИУ – регулирующий клапан.
Регулирующий клапан состоит из трех основных блоков: корпуса, дроссельного узла и привода клапана. На рис. 1.14 представлена типовая конструкция клапана без установленного привода. Привод может быть пневматическим, ручным, электрическим или электромагнитным.
Внутри корпуса клапана 1 устанавливается дроссельный узел, состоящий из седла 2 и плунжера 3, связанного со штоком 4. Седло может быть ввернутым, как показано на рисунке, а может прижиматься к уплотнительной поверхности в корпусе центрирующей втулкой. Плунжер скользит по направляющей, выполненной в крышке 5. Между корпусом 1 и крышкой 5 установлена уплотнительная прокладка 6. Шток 4 выводится наружу через сальниковый узел 7, представляющий собой набор подпружиненных шевронных колец из фторопласта-4 или его модификаций. На крышке 5 устанавливается привод, шток которого соединяется со штоком клапана.
Дроссельный узел является регулирующим элементом клапана. Именно в этом узле реализуется задача изменения проходного сечения клапана и, как следствие, изменение его расходной характеристики.
Исполнительное устройство (ИУ) состоит из рабочего органа (РО) и исполнительного механизма (ИМ). Рабочий орган – элемент ИУ, непосредственно воздействующий на материальный или энергетический поток. Исполнительный механизм – техническое устройство, приводящее рабочий орган в действие.
Исполнительное устройство, применяющееся в системах регулирования, иногда называют регулирующим органом (не путать с рабочим органом).
Наиболее распространенное ИУ – регулирующий клапан.
Регулирующий клапан состоит из трех основных блоков: корпуса, дроссельного узла и привода клапана. На рис. 1.14 представлена типовая конструкция клапана без установленного привода. Привод может быть пневматическим, ручным, электрическим или электромагнитным.
Внутри корпуса клапана 1 устанавливается дроссельный узел, состоящий из седла 2 и плунжера 3, связанного со штоком 4. Седло может быть ввернутым, как показано на рисунке, а может прижиматься к уплотнительной поверхности в корпусе центрирующей втулкой. Плунжер скользит по направляющей, выполненной в крышке 5. Между корпусом 1 и крышкой 5 установлена уплотнительная прокладка 6. Шток 4 выводится наружу через сальниковый узел 7, представляющий собой набор подпружиненных шевронных колец из фторопласта-4 или его модификаций. На крышке 5 устанавливается привод, шток которого соединяется со штоком клапана.
Дроссельный узел является регулирующим элементом клапана. Именно в этом узле реализуется задача изменения проходного сечения клапана и, как следствие, изменение его расходной характеристики.
 |  |
Рис. 1.14. Конструкция клапана
Электромагнитное реле, схема которого показана на рис. 1.3,а – это электромеханическое устройство для коммутации электрических цепей. Реле состоит из следующих основных узлов:
· электрического магнита;
· якоря;
· группы контактов.
Электрический магнит (электромагнит, соленоид) представляет собой изолированный медный провод (поз. 1 на рис. 1.3,а), намотанный в несколько слоев на катушку цилиндрической формы 2. Внутрь катушки помещен сердечник из магнитного материала 3.
Якорь 4 – подвижный элемент реле – также выполнен из магнитного материала, например, стали. При подаче напряжения на обмотку катушки через нее начинает течь электрический ток, который создает вокруг нее магнитное поле. Магнитное поле притягивает верхний конец якоря 4 к сердечнику 3. Якорь поворачивается вокруг оси 5 и соединенным с ним толкателем 6 перемещает подвижный контакт 8.
· электрического магнита;
· якоря;
· группы контактов.
Электрический магнит (электромагнит, соленоид) представляет собой изолированный медный провод (поз. 1 на рис. 1.3,а), намотанный в несколько слоев на катушку цилиндрической формы 2. Внутрь катушки помещен сердечник из магнитного материала 3.
Якорь 4 – подвижный элемент реле – также выполнен из магнитного материала, например, стали. При подаче напряжения на обмотку катушки через нее начинает течь электрический ток, который создает вокруг нее магнитное поле. Магнитное поле притягивает верхний конец якоря 4 к сердечнику 3. Якорь поворачивается вокруг оси 5 и соединенным с ним толкателем 6 перемещает подвижный контакт 8.
Рис. 1.3. Электромагнитное реле:
а – схема; б – условное обозначение;
1 – катушка; 2 – обмотка; 3 – сердечник; 4 – якорь; 5 – ось; 6 – толкатель;
7, 9 – неподвижные контакты; 8 – подвижный контакт; A – E – выводы
а – схема; б – условное обозначение;
1 – катушка; 2 – обмотка; 3 – сердечник; 4 – якорь; 5 – ось; 6 – толкатель;
7, 9 – неподвижные контакты; 8 – подвижный контакт; A – E – выводы
Непосредственно для коммутации электрических цепей служат группы контактов. Одно реле может содержать несколько групп контактов, переключающихся одновременно. На рис. 1.3 показано реле с одной группой контактов 7, 8 и 9. Подвижный контакт 8 изготавливается из гибкого пружинящего материала, проводящего электрический ток, например, тонкой металлической пластины. В исходном положении, когда через обмотку электромагнита ток не течет, подвижный контакт 8 соприкасается, или, как говорят, «замкнут», с неподвижным контактом 7. Как только на обмотку электромагнита подадут необходимое напряжение, якорь 4 с помощью толкателя 6 переместит подвижный контакт 8 вправо. Контакты 7 и 8 разомкнутся, а 8 и 9 – замкнутся, т. е. реле под воздействием поданного на обмотку напряжения переключится, или сработает.
2.1.2. Блок-схемы (структурные схемы) САР
При теоретическом анализе САР удобно пользоваться не принципиальной схемой, а ее блок-схемой. Блок-схема, или структурная схема – символическая форма представления САР.
При теоретическом анализе САР удобно пользоваться не принципиальной схемой, а ее блок-схемой. Блок-схема, или структурная схема – символическая форма представления САР.
Элементы САР (например, объект регулирования и автоматические регуляторы) изображаются прямоугольниками.
Элементы имеют входы и выходы, которым соответствуют входные и выходные величины элемента. Величины, являющиеся причиной изменения состояния элемента, называются входными. На входы поступают воздействия извне элемента.
Состояние элемента характеризуется выходными величинами. Влияние входных величин на выходные отражают внутренние связи элемента. Если нужно, их изображают пунктирными линиями внутри прямоугольника элемента.
Другое название внутренних связей – каналы. Канал можно представить как гипотетический путь, по которому отдельное внешнее (регулирующее или возмущающее) воздействие проходит внутри объекта от его входа к выходу. Максимально возможное количество каналов для объекта равно произведению числа входов объекта на число его выходов. Так, для одномерного объекта с одним регулирующим и одним возмущающим воздействием количество каналов равно двум (2 х 1 = 2).
Каналам объекта могут быть даны названия, например, по входным и выходным величинам («расход воды на входе в емкость – уровень», «мощность нагревателя – температура» и т.п.). Также применяется именование каналов по их роли в системе управления: «канал регулирования», если на его вход поступает регулирующее воздействие, и «канал возмущения», если входное воздействие – возмущающее.
Элементы САР должны обладать свойством детектирования – воздействия через элементы передаются только в одном направлении: от входа к выходу.
Элементы имеют входы и выходы, которым соответствуют входные и выходные величины элемента. Величины, являющиеся причиной изменения состояния элемента, называются входными. На входы поступают воздействия извне элемента.
Состояние элемента характеризуется выходными величинами. Влияние входных величин на выходные отражают внутренние связи элемента. Если нужно, их изображают пунктирными линиями внутри прямоугольника элемента.
Другое название внутренних связей – каналы. Канал можно представить как гипотетический путь, по которому отдельное внешнее (регулирующее или возмущающее) воздействие проходит внутри объекта от его входа к выходу. Максимально возможное количество каналов для объекта равно произведению числа входов объекта на число его выходов. Так, для одномерного объекта с одним регулирующим и одним возмущающим воздействием количество каналов равно двум (2 х 1 = 2).
Каналам объекта могут быть даны названия, например, по входным и выходным величинам («расход воды на входе в емкость – уровень», «мощность нагревателя – температура» и т.п.). Также применяется именование каналов по их роли в системе управления: «канал регулирования», если на его вход поступает регулирующее воздействие, и «канал возмущения», если входное воздействие – возмущающее.
Элементы САР должны обладать свойством детектирования – воздействия через элементы передаются только в одном направлении: от входа к выходу.
Элементы можно соединять между собой линиями связи – от выхода к входу. Направление передачи воздействия показывают стрелкой. При этом считается, что воздействия между элементами (не внутри!) передаются мгновенно.
Линии связи между элементами не являются линиями потоков вещества или энергии, а представляют собой сигналы, идущие от одной части системы к другой.
Блок-схема отражает структуру САР и направление передачи воздействий в ней независимо от физико-химической природы процесса и устройства регулятора.
Линии связи между элементами не являются линиями потоков вещества или энергии, а представляют собой сигналы, идущие от одной части системы к другой.
Блок-схема отражает структуру САР и направление передачи воздействий в ней независимо от физико-химической природы процесса и устройства регулятора.
2.1.3. Обязательные требования к САР
САР должна выполнять задачу регулирования – поддерживать регулируемую величину на заданном значении с требуемым качеством.
САР должна подавлять возмущающие воздействия, так как все реально действующие системы подвержены внешним и внутренним возмущениям.
САР должна быть устойчивой, только устойчивые системы работоспособны. Об устойчивости см. в Главе 7.
САР должна быть достаточно грубой (робастной), т.е. малочувствительной к изменениям во времени параметров объекта управления.
САР должна выполнять задачу регулирования – поддерживать регулируемую величину на заданном значении с требуемым качеством.
САР должна подавлять возмущающие воздействия, так как все реально действующие системы подвержены внешним и внутренним возмущениям.
САР должна быть устойчивой, только устойчивые системы работоспособны. Об устойчивости см. в Главе 7.
САР должна быть достаточно грубой (робастной), т.е. малочувствительной к изменениям во времени параметров объекта управления.
2.2. Иерархическая структура систем управления химическими предприятиями
Для обеспечения эффективности работы промышленного производственного предприятия повсеместно используется иерархический принцип управления этим предприятием.
Заключается он в реализации многоступенчатой организации процесса управления.
Каждая ступень управления имеет свои объекты и цели управления.
Обычно целью управления является обеспечение заданных при создании и развитии предприятия технико-экономических показателей. Технологический режим, при котором достигаются заданные показатели, называется оптимальным. Технологический режим изменяется под действием реальных производственных возмущений и поэтому может существенно отклоняться от оптимального.
Чаще всего управление технологическим процессом организуется в виде двух ступеней. На верхней ступени цель управления заключается в отыскании оптимального режима работы. Объектом управления при этом является все производственное оборудование и все проходящие в нем технологические процесс вместе с оборудованием.
Тогда цель управления на нижней ступени - это обеспечение минимальных отклонений технологических параметров от их оптимальных значений. Эта цель достигается относительно легко и заключается в стабилизации технологических параметров.
При управлении всем предприятием возникают такие цели и задачи, которые нельзя отнести к отдельным технологическим процессам. Это задачи оперативного управления цехами, организации производства, планирование запасов, сырья, готовой продукции и т.д. Поэтому процесс управления предприятием должен включать еще один уровень, где решаются указанные задачи (высший уровень иерархии).
Когда производственная структура предприятия включает в себя несколько производств применяется трехуровневая иерархии управления, представленная на рисунке 1.
Для обеспечения эффективности работы промышленного производственного предприятия повсеместно используется иерархический принцип управления этим предприятием.
Заключается он в реализации многоступенчатой организации процесса управления.
Каждая ступень управления имеет свои объекты и цели управления.
Обычно целью управления является обеспечение заданных при создании и развитии предприятия технико-экономических показателей. Технологический режим, при котором достигаются заданные показатели, называется оптимальным. Технологический режим изменяется под действием реальных производственных возмущений и поэтому может существенно отклоняться от оптимального.
Чаще всего управление технологическим процессом организуется в виде двух ступеней. На верхней ступени цель управления заключается в отыскании оптимального режима работы. Объектом управления при этом является все производственное оборудование и все проходящие в нем технологические процесс вместе с оборудованием.
Тогда цель управления на нижней ступени - это обеспечение минимальных отклонений технологических параметров от их оптимальных значений. Эта цель достигается относительно легко и заключается в стабилизации технологических параметров.
При управлении всем предприятием возникают такие цели и задачи, которые нельзя отнести к отдельным технологическим процессам. Это задачи оперативного управления цехами, организации производства, планирование запасов, сырья, готовой продукции и т.д. Поэтому процесс управления предприятием должен включать еще один уровень, где решаются указанные задачи (высший уровень иерархии).
Когда производственная структура предприятия включает в себя несколько производств применяется трехуровневая иерархии управления, представленная на рисунке 1.
2.2.1. Автоматизированная система управления предприятием (АСУП)
АСУП – человеко-машинная система, объединяющая административно-управленческий персонал предприятия, вычислительную и организационную технику.
Объектом управления здесь является все предприятие:
- технологические производства вместе с оборудованием и АСУ предыдущих уровней;
- вспомогательные службы (снабжение, сбыт, ремонтные, конструкторские
и т.п.), обеспечивающие основное производство;
- транспортное хозяйство;
- цеха контрольно-измерительных приборов, энергоснабжение,
теплоснабжение;
- центральные заводские лаборатории.
Все вместе - это единая производственная система, которая имеет входы и выходы, как объект управления. Входы - сырье, материалы, энергетические ресурсы. Выходы - конечный продукт.
Особенности предприятия, как объекта управления:
- число задач управления может составлять до нескольких сотен;
- предприятие все время подвергается внутренним и внешним возмущениям (внутренние возмущения - поломка оборудования или изменение его характеристик, несвоевременная поставка полуфабрикатов, производственные травмы; внешние возмущения -нарушение взаимосвязи с поставщиками сырья и материалов, несвоевременное обеспечение транспортом, нестабильность характеристик сырья внутри одной партии, стихийные бедствия).
Цель деятельности предприятия - максимальный выпуск товарной продукции, требуемого качества при минимальных затратах на ее производство. Для этого осуществляется сбор, передача и обработка производственно-экономической и социальной информации с целью подготовки и принятия управленческих решений.
Задачи, решаемые на данном уровне - планирование производства отдельных цехов и участков, управление транспортом, складами, энергоресурсами, а также показателями оперативного управления системами среднего уровня. В управлении принимает участие административно-управленческий персонал, таким образом, данная система относится к автоматизированным системам. В административно-управленческий персонал входят: руководитель предприятия, ИТР, служащие, заводо- и цехоуправление.
АСУП – человеко-машинная система, объединяющая административно-управленческий персонал предприятия, вычислительную и организационную технику.
Объектом управления здесь является все предприятие:
- технологические производства вместе с оборудованием и АСУ предыдущих уровней;
- вспомогательные службы (снабжение, сбыт, ремонтные, конструкторские
и т.п.), обеспечивающие основное производство;
- транспортное хозяйство;
- цеха контрольно-измерительных приборов, энергоснабжение,
теплоснабжение;
- центральные заводские лаборатории.
Все вместе - это единая производственная система, которая имеет входы и выходы, как объект управления. Входы - сырье, материалы, энергетические ресурсы. Выходы - конечный продукт.
Особенности предприятия, как объекта управления:
- число задач управления может составлять до нескольких сотен;
- предприятие все время подвергается внутренним и внешним возмущениям (внутренние возмущения - поломка оборудования или изменение его характеристик, несвоевременная поставка полуфабрикатов, производственные травмы; внешние возмущения -нарушение взаимосвязи с поставщиками сырья и материалов, несвоевременное обеспечение транспортом, нестабильность характеристик сырья внутри одной партии, стихийные бедствия).
Цель деятельности предприятия - максимальный выпуск товарной продукции, требуемого качества при минимальных затратах на ее производство. Для этого осуществляется сбор, передача и обработка производственно-экономической и социальной информации с целью подготовки и принятия управленческих решений.
Задачи, решаемые на данном уровне - планирование производства отдельных цехов и участков, управление транспортом, складами, энергоресурсами, а также показателями оперативного управления системами среднего уровня. В управлении принимает участие административно-управленческий персонал, таким образом, данная система относится к автоматизированным системам. В административно-управленческий персонал входят: руководитель предприятия, ИТР, служащие, заводо- и цехоуправление.
2.2.2.Автоматизированная система управления производством (АСУПр)
АСУПр - средний уровень. Объектом управления на этом уровне являются совокупности технологических процессов вместе с технологическим оборудованием и АСУТП.
Целью управления на данном уровне иерархии является согласование работы отдельных агрегатов между собой с учетом внешних (переход с марки на марку, изменение расходов входных и выходных потоков, подача электроэнергии, оборотной воды, пневмотранспорт и т.п.) и внутренних (поломка оборудования, выход из строя средств автоматизации, изменение расхода готовой продукции) для производства возмущений.
Задачи, решаемые на этом уровне:
- контроль и управление статическими режимами технологических процессов и производств (сбор и обработка информации о технологическом процессе, определение оптимальных режимов);
- оперативное управление (расчет оптимального распределения материальных потоков между цехами и агрегатами, устранение нештатных ситуаций, передача команд на нижний уровень);
- технико-экономическое планирование производства (определение плановых показателей на продолжительном отрезке времени).
Указанные функции управления относительно сложны и не могут быть целиком возложены на автоматические устройства. Поэтому на данном уровне в управлении участвует оператор и система снова подпадает под определение автоматизированных систем. Учтено влияние концевых групп полимера, которым при достаточно больших молекулярных массах можно пренебречь.
АСУПр - средний уровень. Объектом управления на этом уровне являются совокупности технологических процессов вместе с технологическим оборудованием и АСУТП.
Целью управления на данном уровне иерархии является согласование работы отдельных агрегатов между собой с учетом внешних (переход с марки на марку, изменение расходов входных и выходных потоков, подача электроэнергии, оборотной воды, пневмотранспорт и т.п.) и внутренних (поломка оборудования, выход из строя средств автоматизации, изменение расхода готовой продукции) для производства возмущений.
Задачи, решаемые на этом уровне:
- контроль и управление статическими режимами технологических процессов и производств (сбор и обработка информации о технологическом процессе, определение оптимальных режимов);
- оперативное управление (расчет оптимального распределения материальных потоков между цехами и агрегатами, устранение нештатных ситуаций, передача команд на нижний уровень);
- технико-экономическое планирование производства (определение плановых показателей на продолжительном отрезке времени).
Указанные функции управления относительно сложны и не могут быть целиком возложены на автоматические устройства. Поэтому на данном уровне в управлении участвует оператор и система снова подпадает под определение автоматизированных систем. Учтено влияние концевых групп полимера, которым при достаточно больших молекулярных массах можно пренебречь.
2.2.3. Локальные автоматические системы (ЛСУ) для автоматизации технологических процессов
Локальные автоматические системы создаются на промышленных объектах для сбора, преобразования и хранения информации, для обнаружения выхода технологических параметров из регламентных диапазонов (информационные функции). Но основной целью локальных систем является реализация автоматических регулирующих воздействий, осуществление автоматической блокировки, защиты и обеспечение реализации (если требуется) ручного воздействия. Конечно – это важнейшая управляющая функция систем нижней ступени автоматизации. Они характеризуются показателем эффективности ведения процесса. Цель управления процессом формулируется как обеспечение показателя эффективности на заданном (желательно - оптимальном) уровне.
ЛСА состоят из нескольких подсистем.
Подсистема контроля параметров обеспечивает контроль и обнаружение отклонений технологических параметров. Контролируемые параметры должны представлять наиболее полную информацию о процессе, необходимую для обеспечения пуска, наладки системы, а также оперативного управления ею.
Контролю подлежат:
• регулируемые выходные параметры;
• стабилизируемые возмущения входных потоков;
• контролируемые возмущения;
• параметры, необходимые для расчета технико-экономических показателей.
Подсистема регулирования параметров выполняет формирование и реализацию управляющих воздействий. Эти воздействия на ТОУ должны обеспечивать проведение процесса в установившемся режиме с заданным значением показателя эффективности. Регулированию подлежат:
• показатель эффективности процесса или параметр косвенно его характеризующий;
• выходные параметры, свидетельствующие о нарушении материального и теплового баланса в процессе;
• стабилизируемые возмущающие воздействия.
Подсистема сигнализации (особенно для химико-технологических объектов) разрабатывается на основании анализа объекта в отношении его взрыво- и пожароопасности, токсичности и агрессивности перерабатываемых веществ. Система сигнализации должна своевременно оповещать обслуживающий персонал о нарушении технологического регламента, который может привести к браку или аварии.
Сигнализации подлежат:
- отклонения наиболее важных режимных параметров и показателя эффективности от регламентных значений;
- параметры, изменение которых ведет к браку или аварии, прекращению подачи материальных и тепловых потоков;
- параметры, указывающие на отключение оборудования, не предусмотренные технологическим регламентом.
Подсистема защиты предназначена для формирования и реализации воздействий защиты и блокировки. Она предназначена для реализации мероприятий, предотвращающих аварии по сигналам, свидетельствующим о возникновении предаварийной ситуации и работает автономно.
Локальные автоматические системы создаются на промышленных объектах для сбора, преобразования и хранения информации, для обнаружения выхода технологических параметров из регламентных диапазонов (информационные функции). Но основной целью локальных систем является реализация автоматических регулирующих воздействий, осуществление автоматической блокировки, защиты и обеспечение реализации (если требуется) ручного воздействия. Конечно – это важнейшая управляющая функция систем нижней ступени автоматизации. Они характеризуются показателем эффективности ведения процесса. Цель управления процессом формулируется как обеспечение показателя эффективности на заданном (желательно - оптимальном) уровне.
ЛСА состоят из нескольких подсистем.
Подсистема контроля параметров обеспечивает контроль и обнаружение отклонений технологических параметров. Контролируемые параметры должны представлять наиболее полную информацию о процессе, необходимую для обеспечения пуска, наладки системы, а также оперативного управления ею.
Контролю подлежат:
• регулируемые выходные параметры;
• стабилизируемые возмущения входных потоков;
• контролируемые возмущения;
• параметры, необходимые для расчета технико-экономических показателей.
Подсистема регулирования параметров выполняет формирование и реализацию управляющих воздействий. Эти воздействия на ТОУ должны обеспечивать проведение процесса в установившемся режиме с заданным значением показателя эффективности. Регулированию подлежат:
• показатель эффективности процесса или параметр косвенно его характеризующий;
• выходные параметры, свидетельствующие о нарушении материального и теплового баланса в процессе;
• стабилизируемые возмущающие воздействия.
Подсистема сигнализации (особенно для химико-технологических объектов) разрабатывается на основании анализа объекта в отношении его взрыво- и пожароопасности, токсичности и агрессивности перерабатываемых веществ. Система сигнализации должна своевременно оповещать обслуживающий персонал о нарушении технологического регламента, который может привести к браку или аварии.
Сигнализации подлежат:
- отклонения наиболее важных режимных параметров и показателя эффективности от регламентных значений;
- параметры, изменение которых ведет к браку или аварии, прекращению подачи материальных и тепловых потоков;
- параметры, указывающие на отключение оборудования, не предусмотренные технологическим регламентом.
Подсистема защиты предназначена для формирования и реализации воздействий защиты и блокировки. Она предназначена для реализации мероприятий, предотвращающих аварии по сигналам, свидетельствующим о возникновении предаварийной ситуации и работает автономно.
2.2.4. Автоматизация управления технологическими процессами
Активное развитие работ по автоматизации технологических процессов в нашей стране началось в 50-е-60-е годы. В 60-е годы основное внимание было уделено созданию локальных систем, обеспечивающих автоматизацию простейших функций управления технологическими процессами: централизованный контроль, противоаварийную защиту, регулирование основных технологических параметров.
Развитие химической технологии, интенсификация технологических процессов, проведение их в режимах, близких к критическим, применение агрегатов большой единичной мощности потребовало создания гораздо более современных систем управления, чем локальные системы автоматизации.
Эти принципиально новые системы получили название автоматизированных систем управления технологическими процессами (АСУТП).
Создание АСУТП стало возможным благодаря использованию ЭВМ (второго поколения) для управления технологическими процессами в "реальном" времени, т.е. в едином темпе с развитием управляемого процесса. (Первые системы появились в 60-х годах: системы КАСКАД, АВТОДИСПЕТЧЕР для управления аммиачным производством). В настоящее время АСУТП находят широкое применение.
АСУТП отличаются от локальных систем управления следующим:
1. более совершенной организацией потоков информации,
2. практически полной автоматизацией получения, обработки и представления информации,
3. возможностью активного диалога оперативного персонала с ЭВМ в процессе управления,
4. более высокой степенью автоматизации функций управления, включая пуск и остановку производства.
От систем управления автоматическими производствами типа цехов и заводов-автоматов (являющихся высшей степенью автоматизации) АСУТП отличается значительной степенью участия человека в процессе управления. По мере развития АСУТП и технического совершенствования технологических объектов эти различия уменьшаются.
В современных производствах задача управления технологическим процессом осуществляется автоматизированной системой управления технологическим процессом (АСУ ТП). АСУ ТП – это комплекс, объединяющий технологический процесс, технические средства сбора, обработки, преобразования информации, программного, алгоритмического и математического обеспечения и оперативного персонала.
Функциональная структура АСУ ТП представляет собой многоуровневую иерархическую структуру (рис. 2).
Нижний уровень представляет технологический процесс и технические средства получения информации (Д) и реализации управляющих воздействий (ИМ).
"Защита" – подсистема комплексных средств автоматической защиты и блокировок.
"Стабилизация" – подсистема выработки управляющих сигналов и средств автоматического регулирования технологических параметров.
"Оптимизация" – подсистема расчета оптимальных параметров технологического процесса в соответствии с принятыми критерием и целями функционирования технологического процесса.
"Идентификация" – подсистема расчета параметров математических моделей технологического процесса.
"Координация" – подсистема расчета технико-экономических показателей (ТЭП), ввода в систему директив и указаний руководства предприятия и передача информации в другие системы управления предприятием для общей координации управления предприятием.
АСУ ТП – это человеко-машинная система. Функции системы могут быть реализованы в двух режимах ее работы:
автоматизированном, в котором осуществляется автоматический сбор и обработка информации и выработка рекомендаций по управлению, а реализация управляющих воздействий осуществляется оператором; автоматическом, в котором выработка и реализация управляющих воздействий осуществляется автоматически управляющими устройствами без участия оператора.
Структурная схема взаимодействия оператора и системы управления представлена на рисунке 3.
В системе несколько контуров управления:
1 контур – автоматизированный;
2 контур – автоматический;
3 контур – система, в которой задание изменяет оператор, а управляет технологическим процессом АСР.
Таким образом, в системах управления происходит переработка информации о состоянии объекта управления, выработка управляющих воздействий и передача ее в виде сигналов от объекта в управляющую систему и от управляющей системы к объекту управления.
Активное развитие работ по автоматизации технологических процессов в нашей стране началось в 50-е-60-е годы. В 60-е годы основное внимание было уделено созданию локальных систем, обеспечивающих автоматизацию простейших функций управления технологическими процессами: централизованный контроль, противоаварийную защиту, регулирование основных технологических параметров.
Развитие химической технологии, интенсификация технологических процессов, проведение их в режимах, близких к критическим, применение агрегатов большой единичной мощности потребовало создания гораздо более современных систем управления, чем локальные системы автоматизации.
Эти принципиально новые системы получили название автоматизированных систем управления технологическими процессами (АСУТП).
Создание АСУТП стало возможным благодаря использованию ЭВМ (второго поколения) для управления технологическими процессами в "реальном" времени, т.е. в едином темпе с развитием управляемого процесса. (Первые системы появились в 60-х годах: системы КАСКАД, АВТОДИСПЕТЧЕР для управления аммиачным производством). В настоящее время АСУТП находят широкое применение.
АСУТП отличаются от локальных систем управления следующим:
1. более совершенной организацией потоков информации,
2. практически полной автоматизацией получения, обработки и представления информации,
3. возможностью активного диалога оперативного персонала с ЭВМ в процессе управления,
4. более высокой степенью автоматизации функций управления, включая пуск и остановку производства.
От систем управления автоматическими производствами типа цехов и заводов-автоматов (являющихся высшей степенью автоматизации) АСУТП отличается значительной степенью участия человека в процессе управления. По мере развития АСУТП и технического совершенствования технологических объектов эти различия уменьшаются.
В современных производствах задача управления технологическим процессом осуществляется автоматизированной системой управления технологическим процессом (АСУ ТП). АСУ ТП – это комплекс, объединяющий технологический процесс, технические средства сбора, обработки, преобразования информации, программного, алгоритмического и математического обеспечения и оперативного персонала.
Функциональная структура АСУ ТП представляет собой многоуровневую иерархическую структуру (рис. 2).
Нижний уровень представляет технологический процесс и технические средства получения информации (Д) и реализации управляющих воздействий (ИМ).
"Защита" – подсистема комплексных средств автоматической защиты и блокировок.
"Стабилизация" – подсистема выработки управляющих сигналов и средств автоматического регулирования технологических параметров.
"Оптимизация" – подсистема расчета оптимальных параметров технологического процесса в соответствии с принятыми критерием и целями функционирования технологического процесса.
"Идентификация" – подсистема расчета параметров математических моделей технологического процесса.
"Координация" – подсистема расчета технико-экономических показателей (ТЭП), ввода в систему директив и указаний руководства предприятия и передача информации в другие системы управления предприятием для общей координации управления предприятием.
АСУ ТП – это человеко-машинная система. Функции системы могут быть реализованы в двух режимах ее работы:
автоматизированном, в котором осуществляется автоматический сбор и обработка информации и выработка рекомендаций по управлению, а реализация управляющих воздействий осуществляется оператором; автоматическом, в котором выработка и реализация управляющих воздействий осуществляется автоматически управляющими устройствами без участия оператора.
Структурная схема взаимодействия оператора и системы управления представлена на рисунке 3.
В системе несколько контуров управления:
1 контур – автоматизированный;
2 контур – автоматический;
3 контур – система, в которой задание изменяет оператор, а управляет технологическим процессом АСР.
Таким образом, в системах управления происходит переработка информации о состоянии объекта управления, выработка управляющих воздействий и передача ее в виде сигналов от объекта в управляющую систему и от управляющей системы к объекту управления.
 |  |
2.3. Классификация систем управления ХТП
Существует довольно много способов классификации систем управления химико-технологическими процессами (ХТП). Здесь рассмотрим три из них.
Классификация по принципу регулирования
1. САР, использующие принцип регулирования по отклонению регулируемой величины (принцип Ползунова-Уатта). Их также называют "замкнутые САР".
Имеют замкнутый контур передачи воздействий (одноконтурные).
Принцип действия: АР вырабатывает регулирующее воздействие при отклонении регулируемой величины от заданного значения, т. е. при появлении ошибки E. Причина ее возникновения нас не интересует, поэтому такие САР универсальны по отношению к различным возмущениям.
Существует довольно много способов классификации систем управления химико-технологическими процессами (ХТП). Здесь рассмотрим три из них.
Классификация по принципу регулирования
1. САР, использующие принцип регулирования по отклонению регулируемой величины (принцип Ползунова-Уатта). Их также называют "замкнутые САР".
Имеют замкнутый контур передачи воздействий (одноконтурные).
Принцип действия: АР вырабатывает регулирующее воздействие при отклонении регулируемой величины от заданного значения, т. е. при появлении ошибки E. Причина ее возникновения нас не интересует, поэтому такие САР универсальны по отношению к различным возмущениям.
Недостаток: регулирующее воздействие появляется только после возникновения отклонения E и поступления его значения на АР. Поэтому АР не может полностью компенсировать возникшее отклонение.
2. САР, использующие принцип компенсации возмущающего воздействия (принцип Понселе). Другое название – разомкнутые САР. Имеют разомкнутый контур передачи воздействий. Значение поступающего на объект возмущения измеряется, и его значение сразу же подается на АР, который осуществляет компенсирующее воздействие на процесс прежде, чем произойдет отклонение регулируемой величины. Такой АР называют «компенсатором».
2. САР, использующие принцип компенсации возмущающего воздействия (принцип Понселе). Другое название – разомкнутые САР. Имеют разомкнутый контур передачи воздействий. Значение поступающего на объект возмущения измеряется, и его значение сразу же подается на АР, который осуществляет компенсирующее воздействие на процесс прежде, чем произойдет отклонение регулируемой величины. Такой АР называют «компенсатором».
Система, построенная по такому принципу, может быть сделана инвариантной по отношению к данному возмущающему воздействию, т. е. может поддерживать регулируемую величину точно равной заданному значению.
Серьезный недостаток: отсутствует контроль за действительным значением регулируемой величины, отклонение которой могут происходить под влиянием различных неучтенных факторов, так как практически невозможно предусмотреть компенсацию всех возможных возмущений. Поэтому в чистом виде обычно не применяются.
Чтобы такие САР могли работать, необходимо измерять величину возмущающего воздействия, что возможно далеко не всегда.
3. Комбинированные, использующие («комбинирующие») одновременно и принцип Ползунова-Уатта, и принцип Понселе.
Серьезный недостаток: отсутствует контроль за действительным значением регулируемой величины, отклонение которой могут происходить под влиянием различных неучтенных факторов, так как практически невозможно предусмотреть компенсацию всех возможных возмущений. Поэтому в чистом виде обычно не применяются.
Чтобы такие САР могли работать, необходимо измерять величину возмущающего воздействия, что возможно далеко не всегда.
3. Комбинированные, использующие («комбинирующие») одновременно и принцип Ползунова-Уатта, и принцип Понселе.
Влияние наиболее существенного возмущения компенсируется регулятором по разомкнутому контуру 1, а за счет наличия замкнутого контура регулирования 2 устраняется вредное влияние различных второстепенных факторов. Комбинированные САР дают более высокое качество регулирования.
Классификация по функциональному признаку
1. Стабилизирующие САР – поддерживают регулируемую величину на заданном значении (хзд = const). Основная задача – компенсация возмущающих воздействий. Пример – регулирование уровня.
2. Следящие САР – изменяют регулируемую величину таким образом, чтобы она зависела от другой величины. При этом говорят, что регулируемая величина следит за другой величиной. В этом случае закон изменения регулируемой величины во времени (хзд=f(t), хзд≠const) заранее неизвестен. Пример – регулирование соотношения реагентов, подающихся в реактор, системы наведения.
3. Программные САР – изменяют регулируемую величину в соответствии с заданным заранее законом изменения – программой. Применяются в основном в управлении периодическими процессами. В этом случае закон изменения регулируемой величины во времени (хзд=f(t), хзд≠const) известен.
Классификация по энергетическому признаку
Систему управления разделяются на классы в зависимости от вида энергии, используемой для передачи воздействий. В настоящее время используются следующие САР:
· электрические или электронные;
· пневматические;
· гидравлические;
· комбинированные.
Классификация по функциональному признаку
1. Стабилизирующие САР – поддерживают регулируемую величину на заданном значении (хзд = const). Основная задача – компенсация возмущающих воздействий. Пример – регулирование уровня.
2. Следящие САР – изменяют регулируемую величину таким образом, чтобы она зависела от другой величины. При этом говорят, что регулируемая величина следит за другой величиной. В этом случае закон изменения регулируемой величины во времени (хзд=f(t), хзд≠const) заранее неизвестен. Пример – регулирование соотношения реагентов, подающихся в реактор, системы наведения.
3. Программные САР – изменяют регулируемую величину в соответствии с заданным заранее законом изменения – программой. Применяются в основном в управлении периодическими процессами. В этом случае закон изменения регулируемой величины во времени (хзд=f(t), хзд≠const) известен.
Классификация по энергетическому признаку
Систему управления разделяются на классы в зависимости от вида энергии, используемой для передачи воздействий. В настоящее время используются следующие САР:
· электрические или электронные;
· пневматические;
· гидравлические;
· комбинированные.
2.4. Этапы анализа и синтеза АСР
Как правило, в процессе разработке систем автоматического регулирования можно выделить следующие этапы.
1. Анализ ХТП как объекта управления (выявление управляемых переменных, управляющих и возмущающих воздействий).
2. Синтез структуры СУ ХТП.
3. Выбор закона регулирования.
4. Расчет оптимальных параметров настроек регуляторов.
5. Проведение имитационного моделирования АСР.
6. Выбор технических средств реализации АСР.
7. Внедрение АСР.
В рамках данного электронного курса рассматриваются этапы со 2-го по 5-й, остальные являются предметом учебной дисциплины "Автоматизированные системы управления химико-технологическими процессами и системами".
Как правило, в процессе разработке систем автоматического регулирования можно выделить следующие этапы.
1. Анализ ХТП как объекта управления (выявление управляемых переменных, управляющих и возмущающих воздействий).
2. Синтез структуры СУ ХТП.
3. Выбор закона регулирования.
4. Расчет оптимальных параметров настроек регуляторов.
5. Проведение имитационного моделирования АСР.
6. Выбор технических средств реализации АСР.
7. Внедрение АСР.
В рамках данного электронного курса рассматриваются этапы со 2-го по 5-й, остальные являются предметом учебной дисциплины "Автоматизированные системы управления химико-технологическими процессами и системами".
