Учебное пособие для студентов специальности 220301 Автоматизация технологических процессов и производств
 Скачать 1.84 Mb.
|
|
3 Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное агентство по образованию САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ ЛЕСОТЕХНИЧЕСКАЯ АКАДЕМИЯ имени С. М. Кирова В.А. ВТЮРИН, кандидат технических наук, доцент АВТОМАТИЗИРОВАННЫЕ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ ПРОЦЕССАМИ ОСНОВЫ АСУТП Учебное пособие для студентов специальности 220301 «Автоматизация технологических процессов и производств» (по отраслям) Санкт-Петербург 2006 4 Введение Для технологических объектов отрасли, как объектов автоматизации, характерными являются следующие особенности: наличие разнородных функциональных задач, возникающих при автоматизации; сравнительно высокий уровень автоматизации существующих ТОУ; повышение актуальности задач оптимизации и др. Управлять подобными объектами невозможно без современных средств автоматизации и вычислительной техники, без высокоэффективных автоматизированных систем управления технологическими процессами (АСУТП). АСУТП относятся к классу сложных систем, которым присущи следующие черты: наличие у всех элементов общей цели; системный характер реализуемых алгоритмов обмена и обработки информации; большое число входящих в систему функциональных подсистем. Современный этап развития АСУТП характеризуется применением индустриальных технологий создания и внедрения АСУТП на базе серийно выпускаемых промышленных контроллеров, совместимых с персональными компьютерами и мощных программно-техничесих комплексов (ПТК) поддержки программирования АСУТП – SCADA систем, а также развития и стандартизации сетевых технологий. Построение АСУТП на основе концепции открытых систем позволяет аппаратно-программные средства различных производителей совмещать снизу доверху и обеспечивать проверку всей системы. При таком подходе значительно уменьшается общая стоимость системы в результате применения более дешевого оборудования (при аналогичных функциональных характеристиках), частичной и поэтапной замене имеющихся на предприятии аппаратно-программных средств или даже сохранении некоторого старого оборудования. Важнейшими свойствами открытых систем являются: мобильность прикладных программ; мобильность персонала; четкие условия взаимодействия частей системы с использованием открытых спецификаций. В первой главе даются основные понятия и определения АСУТП, ТОУ, АТК, функций АСУТП, критерия управления, состава АСУТП и классификационных признаков АСУТП. Вторая глава знакомит с основными понятиями сетевой терминологии. Дается определение сети и ее виды: локальные, распределенные, коммуникационные, информационные. Знакомит с архитектурой сети. 5 В главах 3….7 рассматриваются АСУТП и построение их на базе концепции открытых систем, в основе которых лежит семиуровневая модель. Дается описание этих уровней. Рассматриваются различные топологии сетей и их выбор, приводятся основные аппаратные и программные компоненты, рассказывается о работе протоколов и сетевой архитектуре Ethernet. Современные локальные сети должны отвечать определенным требованиям, описание которых предлагается в главе 8. Глава 9 знакомит с функциональными задачами АСУТП. Излагается алгоритмическое обеспечение основных задач АСУТП. В 10 главе рассматриваются различные архитектуры АСУТП: централизованная, распределенная, клиент-сервер, Citect, масштабируемая, многоуровневая, с отдельными серверами. Программируемые логические контроллеры (ПЛК) являются одними из современных основных средств автоматизации. Их место в АСУ, структура, операционная система, классификация и выбор рассматриваются в главах 11 и 12. Важное значение для АСУТП имеет противоаварийная защита (ПАЗ). В главе 13 обосновывается необходимость применения ПАЗ в АСУТП. Рассматриваются системы безопасности в гибких производствах и ПАЗ в АСУТП. Показаны пути повышения надежности системы ПАЗ. I.ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ 1.1 Основные понятия и определения 1.2 Функции АСУТП 1.3 Состав АСУТП 1.4 Общие технические требования 1.5 Классификация АСУТП Ключевые слова: Технологический объект управления, автоматизированный технологический комплекс, автоматизированная система управления технологическим процессом, критерий управления, режимы управления, состав АСУТП, классификация. 1.1Основные понятия и определения. Автоматизированная система управления технологическим процессом (АСУТП) предназначена для выработки и реализации управляющих воздействий на технологический объект управления. Технологический объект управления (ТОУ) — это совокупность технологического оборудования и реализованного на нем по соответствующим инструкциям или регламентам технологического процесса производства. 6 К технологическим объектам управления относятся: • технологические агрегаты и установки (группы станков), реализующие самостоятельный технологический процесс; • отдельные производства (цехи, участки) или производственный процесс всего промышленного предприятия, если управление этим производством носит в ос- новном технологический характер, т. е. заключается в реализации рациональных режимов работы взаимосвязанных агрегатов (участков, производств). Совместно функционирующие ТОУ и управляющая им АСУТП образуют автоматизированный технологический комплекс (A T К). Автоматизированная система управления технологическим процессом - человеко-машинная система управления, обеспечивающая автоматизированный сбор и обработку информации, необходимой для оптимизации управления технологическим объектом в соответствии с принятым критерием. Такое определение АСУТП подчеркивает наличие в ее составе современных автоматических средств сбора и обработки информации, в первую очередь средств вычислительной техники; роль человека в системе как субъекта труда, принимающего содержательное участие в выработке решений по управлению; реализацию в системе процесса обработки технологической и технико-экономической информации; цель функционирования АСУТП, заключающуюся в оптимизации работы технологического объекта управления по принятому критерию (критериям) управления путем соответствующего выбора управляющих воздействий. Критерий управления АСУТП — это соотношение, характеризующее качество функционирования технологического объекта управления в целом и принимающее конкретные числовые значения в зависимости от используемых управляющих воздействий. Таким образом, критерием управления обычно является технико-экономический показатель (например, себестоимость выходного продукта при заданном его качестве, производительность ТОУ при заданном качестве выходного продукта и т. п.) или технический показатель (например, параметры процесса, характеристики выходного продукта). Система управления ТОУ является АСУТП в том случае, если она осуществляет управление ТОУ в целом в темпе протекания технологического процесса и если в выработке и реализации решений по управлению, участвуют средства вычислительной техники и другие технические средства и человек-оператор. АСУТП в системе управления промышленным предприятием. 7 АСУТП как компоненты общей системы управления промышленным предприятием предназначены для целенаправленного ведения технологических процессов и обеспечения смежных и вышестоящих систем управления оперативной и достоверной технико-экономической информацией. АСУТП, созданные для объектов основного и вспомогательного производства, представляют собой низовой уровень автоматизированных систем управления на предприятии. АСУТП могут использоваться для управления отдельными производствами, включающими в свой состав взаимосвязанные ТОУ. АСУТП производства обеспечивает оптимальное (рациональное) управление как всеми АТК и ТОУ, так и вспомогательными процессами (приемкой, транспортировкой, складированием входных материалов, заготовок и готовой продукции и т. д.), входящими в состав данного производства. Организация взаимодействия АСУТП с системами управления высших уровней определяется наличием на промышленном предприятии автоматизированной системы управления предприятием (АСУП) и автоматизированных систем организационно-технологического управления (АСОУТ). АСУТП получает от соответствующих подсистем АСУП или служб управления предприятием непосредственно или через АСУОТ задания и ограничения (номенклатуру подлежащих выпуску продуктов или изделий, объемы производства, технико- экономические показатели, характеризующие качество функционирования АТК, сведения о наличии ресурсов) и обеспечивает подготовку и передачу этим системам необходимой для их работы технико-экономической информации, в частности о выполнении заданий, продукции, оперативной потребности в ресурсах, состоянии АТК (состоянии оборудования, ходе технологического процесса, его технико-экономических показателях и т. п.). При наличии на предприятии систем технической и (или) технологической подготовки производства обеспечивается взаимодействие АСУТП с этими системами. АСУТП получают от них техническую, технологическую и другую информацию, необходимую для проведения заданных технологических процессов, и направляют в эти системы фактическую оперативную информацию, необходимую для их функционирования, в том числе для корректировок регламентов проведения технологических процессов. 8 При создании на предприятии комплексной системы управления качеством продукции АСУТП являются ее исполнительными подсистемами, обеспечивающими заданное качество продукции ТОУ и подготовку фактической оперативной информации о ходе технологических процессов (статистический контроль и т.д.). Перечень, форма представления и режим обмена информацией между АСУТП и взаимосвязанными с ней другими системами управления (как автоматизированными, так и неавтоматизированными) определяются в каждом конкретном случае в зависимости от специфики производства, его организации и принятой структуры управления им. 1.2Функции АСУТП. При создании АСУТП должны быть определены конкретные цели функционирования системы и ее назначение в общей структуре управления предприятием. Такими целями, например, могут быть: • экономия топлива, сырья, материалов и других производственных ресурсов; • обеспечение безопасности функционирования объекта; • повышение качества выходного продукта (изделия) или обеспечение заданных значений параметров выходных продуктов (изделий); • снижение затрат живого труда; достижение оптимальной загрузки (использования) оборудования; • оптимизация режимов работы технологического оборудования (в том числе, маршрутов обработки в дискретных производствах) и т. д. Функция АСУТП — это совокупность действий системы, направленных на достижение частной цели управления. Совокупность действий системы представляет собой определенную и описанную в эксплуатационной документации последовательность операций и процедур, выполняемых частями системы. Следует отличать функции АСУТП в целом от функций, выполняемых всем комплексом технических средств системы или его отдельными устройствами. Функции АСУТП подразделяются на управляющие, информационные и вспомогательные. Управляющая функция АСУТП — это функция, результатом которой являются выработка и реализация управляющих воздействий на технологический объект управления. К управляющим функциям АСУТП относятся: 9 • 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 участками процесса; • адаптивное управление объектом в целом (например, самонастраивающимся комплексно-автоматизированным участком станков с числовым программным управлением). Информационная функция АСУТП — это функция системы, содержанием которой являются сбор, обработка и представление информация о состоянии АТК оперативному персоналу или передача этой информации для последующей обработки. К информационным функциям АСУТП относятся: • централизованный контроль и измерение технологических параметров; • косвенное измерение (вычисление) параметров процесса (технико-экономических показателей, внутренних переменных); • формирование и выдача данных оперативному персоналу АСУТП или (АТК); • подготовка и передача информации в смежные системы управления; • обобщенная оценка и прогноз состояния АТК и его оборудования. Отличительная особенность управляющих и информационных функций АСУТП их направленность на конкретного потребителя (объект управления, оперативный персонал, смежные системы управления). Вспомогательные функции АСУТП - это функции, обеспечивающие решение внутрисистемных задач. Вспомогательные функции не имеют потребителя вне системы и обеспечивают функционирование АСУТП (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. Автоматизированный режим реализации управляющих функций характеризуется участием человека в выработке (принятии) 10 решений и (или) 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 различаются: • режим косвенного управления, когда средства вычислительной техники автоматически изменяют уставки и (или) 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 АСУТП информационных функций АСУТП предусматривает участие людей в операциях по получению и обработке информации. В автоматическом режиме все необходимые процедуры обработки информации реализуются без участия человека. АСУТП представляют собой системы управления, качественно отличные от систем автоматического регулирования (САР), предназначенных для стабилизации режимов процессов и агрегатов. 11 На рис. 1.1 приведены структуры САР и АСУТП. Системы автоматического регулирования, как правило, представляют собой замкнутые системы управления, функционирующие без участия человека. Рис. 1.1 Сравнение промышленных систем автоматизации Основная цель САР - оптимальная отработка задания, обеспечивающего стабилизацию требуемой физической величины или технологического параметра. При этом значение задания считается известным и может быть как постоянным, так и изменяющимся по заранее известному закону. Структура АСУТП, в отличие от САР, предполагает непременное участие человека – оператора в принятии решений по управлению объектом. Структура АСУТП обязательно включает контур формирования оператором управляющих воздействий, поскольку цель АСУТП – реализация оптимального режима работы объекта. Критериями оптимальности технологических режимов, как правило, являются технико-экономические показатели (к.п.д., удельные расходы сырья, энергии, топлива, себестоимость продукции), которые обычно не могут быть непосредственно измерены, а получаются в результате соответствующих вычислительных процедур 12 1.3 Состав АСУТП. Для выполнения функций АСУТП необходимо взаимодействие следующих ее составных частей: • технического обеспечения (ТО); • программного обеспечения (ПО); • информационного обеспечения (ИО); • организационного обеспечения (ОО); • оперативного персонала (ОП). Техническое обеспечение АСУТП представляет собой полную совокупность технических средств, достаточную для функционирования АСУТП и реализации системой всех ее функций. В состав комплекса технических средств (КТС АСУТП) входят вычислительные и управляющие устройства; средства получения (датчики), преобразования, хранения, отображения и регистрации информации (сигналов); устройства передачи сигналов и исполнительные устройства. Программное обеспечение АСУТП — совокупность программ, необходимая для реализации функций АСУТП, заданного функционирования комплекса технических средств АСУТП и предполагаемого развития системы. Программное обеспечение АСУТП подразделяется на общее ПО и специальное программное обеспечение. Общее программное обеспечение АСУТП поставляется в комплекте со средствами вычислительной техники. К общему программному обеспечению АСУТП 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 АСУТП 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 АСУТП. Специальное программное обеспечение АСУТП разрабатывается на базе и с использованием программ общего программного обеспечения. 13 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 АСУТП 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 АСУТП, в том числе нормативно-справочную информацию. Организационное обеспечение АСУТП представляет собой совокупность описаний функциональной, технической и организационной структур, инструкций и регламентов для оперативного персонала АСУТП, обеспечивающее заданное функционирование оперативного персонала в составе АТК. В состав оперативного персонала АСУТП входят: • технологи - операторы, осуществляющие контроль за работой и управление ТОУ с использованием информации и рекомендаций по рациональному управлению, выработанных комплексом технических средств АСУТП; • эксплуатационный персонал АСУТП, обеспечивающий правильность функционирования комплекса технических средств АСУТП. Ремонтный персонал в состав оперативного персонала АСУТП не входит. Создание АСУТП допускается осуществлять по подсистемам. Подсистема АСУТП — 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. Структурный признак позволяет делить АСУТП на подсистемы, обеспечивающие управление частью объекта или соответствующие самостоятельным частям комплекса технических средств и т. д. 1.4 Общие технические требования К АСУТП в целом предъявляются следующие основные требования. Она должна: 14 • осуществлять управление ТОУ в целом в темпе протекания технологического процесса и в выработке и реализации решений по управлению должны участвовать средства вычислительной техники и человек-оператор; • обеспечивать управление ТОУ в соответствии с принятыми критериями эффективности функционирования АТК (критериями управления АСУТП); • выполнять все возложенные на нее функции с заданными характеристиками и показателями качества управления; • обладать требуемым уровнем надежности; • обеспечивать возможность взаимосвязанного функционирования с системами управления смежных уровней иерархии и другими АСУТП; • отвечать эргономическим требованиям, предъявляемым к системам, в частности к способам и форме. представления информации оператору, к размещению технических средств и т. д.; • обладать требуемыми метрологическими характеристиками измерительных каналов; • допускать возможность модернизации и развития в пределах, предусмотренных техническим заданием (ТЗ) на создание АСУТП; • нормально функционировать в условиях, указанных в ТЗ на систему; • обеспечивать заданный средний срок службы с учетом проведения восстановительных работ, указанных в технической документации на основные составные части АСУТП. 1.5 Классификация АСУТП При планировании, проведении и обобщении разработок АСУТП следует иметь в виду, что эти системы весьма разнообразны. Для решения ряда научных, технических и организационных вопросов необходимо пользоваться общей классификацией АСУТП, т. е. правилами разбиения всего множества этих систем на такие подмножества (классификационные группы), в пределах которых все входящие в них АСУТП одинаковы, близки или похожи в том или ином отношении. АСУТП как объекты классификации характеризуются многими существенными факторами и показателями, каждый из которых 15 может выступать в роли классификационного признака. Поэтому общая классификация АСУТП состоит из ряда частных классификаций, проводимых по одному из таких признаков. В зависимости от поставленных целей необходимо пользоваться различными классификационными признаками или их разными сочетаниями. Приводимая ниже классификация АСУТП может использоваться в основном с целями: • выбора систем-аналогов на ранних этапах разработки АСУТП; • оценки необходимых ресурсов при укрупненном планировании работ по созданию АСУТП; • определения качества (научно-технического уровня) АСУТП; • определения капиталоемкости АСУТП в условных единицах. К основным классификационным признакам АСУТП относятся: • уровень, занимаемый ТОУ и АСУТП в структуре предприятия; • характер протекания технологического процесса во времени; • показатель условной информационной мощности; • уровень функциональной надежности АСУТП; • тип функционирования АСУТП. Классификации по каждому из указанных признаков (а также по любым их сочетаниям) могут рассматриваться и использоваться как независимые: конкретному индексу одного (или нескольких) признака могут соответствовать любые индексы других признаков. По уровню, занимаемому в структуре предприятия, АСУТП классифицируется в соответствии с табл.1.1 Таблица 1.1 Классификация АСУТП по уровню, занимаемому в организационно- производственной иерархии Класс АСУТП Kодовый индекс ТОУ АСУТП нижнего уровня 1 Технологические агрегаты, установки, участки АСУТП верхнего уровня 2 Группы установок, цехи, производства; не включают АСУТП нижнего уровня АСУТП многоуровневые 3 То же, что в классе 2, но включая АСУТП нижнего уровня Характер протекания управляемого технологического процесса во времени определяется непрерывностью (или дискретностью) поступления сырья и реагентов, наличием (или отсутствием) 16 длительных установившихся и переходных режимов функционирования ТОУ, наличием и длительностью дискретных операций по переработке входных потоков материалов. По этому признаку АСУТП классифицируются в соответствии с табл. 1 2. Таблица 1 2. Классификация АСУТП по характеру протекания управляемого технологического процесса во времени Класс АСУТП Кодовый индекс Характер технологического процесса АСУ непрерывным технологическим процессом н Непрерывный с длительным поддержанием режимов, близких к установившимся, и практически безостановочной подачей сырья и реагентов АСУ непрерывно- дискретным технологическим процессом п Сочетание непрерывных и прерывистых режимов функционирования различных технологических агрегатов или на различных стадиях процесса (в том числе периодические процессы) АСУ дискретным технологическим процессом д Прерывистый, с несущественной для управления длительностью технологических операций Условная информационная мощность ТОУ характеризуется числом технологических переменных, измеряемых или контролируемых в данной АСУТП. В зависимости от значения этого показателя АСУТП подразделяются на классы (табл. 1 3). Таблица1 3. Классификация АСУТП по условной информационной мощности Число измеряемых или контролируемых технологических переменных Условная информационная мощность Кодовый индекс минимальное максимальное Наименьшая 1 10 40 Малая 2 41 160 Средняя 3 161 650 Повышенная 4 651 2500 Большая 5 2501 Не ограничено Требуемый (или достигнутый) уровень функциональной надежности АСУТП решающим образом влияет на структуру и многие технические характеристики системы, а также на реальные значения показателей ее эффективности Укрупненная 17 классификация АСУТП по уровню функциональной надежности приведена в табл.1 4 Таблица1 4. Классификация АСУТП по уровню функциональной надежности Уровень функциональной надежности Кодовый индекс Краткая характеристика уровня надежности Минимальный 1 Практически не регламентируется, не требует специальных мер Средний 2 Регламентируется, но отказы в АСУТП не приводят к остановам ТОУ Высокий 3 Жестко регламентируется, так как отказы в АСУТП могу привести к остановам ТОУ или авариям Тип функционирования АСУТП приближенно характеризуется совокупностью автоматически выполняемых информационных и управляющих функций системы. Классификация АСУТП по этому признаку дана в табл.1 5. Таблица1 5. Классификация АСУТП по типу функционирования Условное наименование типа функционирования АСУТП Кодовый индекс Краткая характеристика особенностей функционирования системы Информационный и Автоматически выполняются только информационные функции, решения по управлению принимает и реализует оператор Локально- автоматический л Автоматически выполняются информационные функции и функции локального управления (регулирования). Решения по управлению процессом в целом принимает и реализует оператор Советующий с Автоматически выполняются функции информационные, локального управления и с помощью модели процесса формируются советы по выбору управляющих воздействий с учетом критерия Автоматический а Все функции АСУТП, включая управление процессом по критерию, выполняются автоматически Определенный в соответствии с табл. 1-5 класс АСУТП обозначается в кодовой или словесной форме. 18 Кодовое обозначение класса АСУТП состоит из основного и дополнительного кодов. Основной код строится из цифровых и буквенных индексов классификации, приведенных в табл. 1-5. Например, словесному обозначению АСУ непрерывным технологическим процессом в агрегате «советующего» типа, с 360 технологическими переменными и высшим уровнем функциональной надежности соответствует код 1нЗЗ с, легко определяемый по табл. 1—5. Выбор систем-аналогов разрабатываемой АСУТП с использованием приведенной классификации осуществляется следующим образом: • в соответствии с табл. 1-5 определяют класс, к которому принадлежит разрабатываемая АСУТП, и ее составной классификационный индекс; • в ведомственных, отраслевых и межотраслевых классификационных фондах находят несколько разработок АСУТП, имеющих составной классификационный индекс, совпадающий с индексом данной системы; • среди найденных таким образом разработок АСУТП выбирают ту, которая в большей степени может считаться наиболее близким аналогом создаваемой, а принятые в ней решения подлежат анализу с целью определения возможности и целесообразности их повторного применения в создаваемой АСУТП. Основу АСУТП составляют локальные сети. Вопросы для самопроверки: |