лекции по сухтп. В системы управления химикотехнологическими процессами значение автоматического управления для развития химической промышленности на современном этапе
 Скачать 2.38 Mb.
|
|
4. Промышленная локальная сеть. Обычно выделяют, по назначению и функциям коммуникации, двух видов: - промышленные сети, связывающие контроллеры между собою и с рабочими станциями операторов, - полевые каналы и сети, связывающие контроллеры с удаленными (выносными) блоками ввода/вывода и с интеллектуальными приборами. Эти коммуникации не имеют четкой разделяющей их границы, некоторые сети могут использоваться для обоих указанных целей, поэтому они обычно объединяются общим наименованием - Fieldbus, что в буквальном переводе обозначает "полевая шина", а обычно в русском языке принято называть "промышленная сеть". Промышленную локальную сеть называют также промышленной шиной. Шина – это средство обеспечения взаимодействия близко расположенных объектов. Характерной особенностью шины как устройства является тот факт, что все взаимодействующие компоненты подключаются к шине одинаковым образом. Шины тем или иным образом присутствуют на всех уровнях автоматизации. В настоящее время наиболее распространены следующие топологии сетей. 1) Общая шина.  Рис. 6. Топология сети «Общая шина». - возможно подключение / отключение устройств во время работы; - опасность потери связи при одиночном обрыве; - присутствие общего трафика во всей системе; - широко используется для сильно распределенных объектов (дешевизна). 2) «Кольцо».  Рис. 7. Топология сети «Кольцо». - хорошая пропускная способность; - высокая стоимость; - нерациональное использование сетевого трафика; - потеря синхронизации всей сети в случае отказа хотя бы одного из узлов. 3) «Звезда».  Рис. 8. Топология сети «Звезда». - дополнительная защита сети от выхода узлов из строя; - опасность аварии при выходе из строя устройства связи; - оптимизация трафика. Промышленная сеть обладает рядом специфических особенностей, выделяющих ее в отдельный класс, отличный от информационных сетей: - работа в режиме реального времени; - необходимость предсказуемости времени передачи сообщений и гарантия их доставки по назначению; - отсутствие передаваемых больших массивов информации; - обязательная повышенная надежность передачи данных в промышленной среде (в частности, при электромагнитных помехах); - предпочтительная работа на недорогих физических средах; - возможность больших расстояний между узлами сети; - упрочненная механическая конструкция аппаратуры сети. Если выделить из промышленных сетей подкласс чисто полевых сетей, то они призваны подключать к контроллерам расположенные непосредственно по месту нахождения оборудования блоки ввода/вывода, а также интеллектуальные датчики и исполнительные механизмы. Для их распространения требуется, чтобы каждое подключаемое к сети устройство (в том числе, любой прибор) имело вычислительный ресурс, т. е. было бы интеллектуальным. Тогда подключение приборов к контроллерам становится цифровым, децентрализованным; они объединяются между собою цифровой, двунаправленной, последовательной коммуникационной сетью; при этом каждый прибор будет обслуживать двунаправленную связь. Подкласс чисто полевых сетей по сравнению с общими промышленными сетями отличается значениями основных характеристик сетей: меньшей длиной сети, меньшей скоростью, меньшим объемом передаваемых данных за цикл, меньшей стоимостью сетевых компонентов. Последнее время появился международный стандарт на промышленную и полевую управляющие сети - стандарт IEC 61158. По этому стандарту следующие сети признаны стандартными промышленными управляющими сетями: - Technical specification TS 61158; - ControlNet; - Profibus; - P-Net; - Foundation Fieldbus; - SwiftNet; - WorldFip; - Interbus. Следует подчеркнуть, что из всех этих сетей подавляющее распространение в мире получили сети Profibus и Foundation Fieldbus. 5. Уровень АРМ подробно рассматривается во втором разделе данного пособия, посвященном SCADA-системам. 6. Сервер (управляющая ЭВМ). На уровне управляющих ЭВМ решаются следующие задачи: - управление технологическими контроллерами; - ведение архивов технологической информации; - обеспечение работы автоматизированных рабочих мест (АРМов). На рисунке 2 показана структура, при которой задачи управления и ведения архивов разделены между двумя вычислительными машинами. В реальности, уровень управляющих ЭВМ может быть представлен различными архитектурами, от одиночной вычислительной машины до больших вычислительных систем (мейнфреймов), объединенных в локальную сеть рабочих станций и серверов. Очевидно, что для обеспечения функционирования уровня управляющих ЭВМ необходимо специализированное программное обеспечение. В качестве такого программного обеспечения используются системы SCADA. Использование систем SCADA (Supervisory Control and Data Acquisition) – (системы диспетчерского управления и сбора данных) является в настоящее время основным и наиболее перспективным методом управления сложными динамическими системами. Именно на принципах диспетчерского управления строятся крупные автоматизированные системы в ряде отраслей промышленности и народного хозяйства. Всю совокупность программного обеспечения SCADA-систем можно подразделить на две большие группы. 1) Серверное ПО. Данное ПО предназначено для: - обеспечения процесса управления технологическим оборудованием; - ведения архивов данных; - обеспечения двусторонней связи АРМов и технологического оборудования. 2) Прикладное ПО. Данное ПО выполняет следующие функции: - реализация АРМ на локальных рабочих станциях; - обеспечение пользовательского интерфейса. Также прикладное ПО предоставляет средства проектирования АРМов, алгоритмов управления, связей с технологическими контроллерами и т.д. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ УПРАВЛЕНИЯ ХИМИКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ ПРОЦЕССАМИ 1. ОСНОВНЫЕ ТЕРМИНЫ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ Управление — это процесс формирования и реализации управляющих воздействий, направленных на достижение некоторой цели. Объект управления — объект, для достижения результатов функционирования которого необходимы и допустимы специально организованные воздействия. Под технологическим объектом управления (ТОУ) понимают совокупность технологического оборудования и реализуемого в нем технологического процесса. Под объектом управления (ОУ) в химической технологии понимают технологический процесс, осуществляемый в определенном аппаратурном оформлении, в котором один или несколько химико-технологических параметров, характеризующих состояние процесса, поддерживаются на заданном уровне или изменяются по определенному закону. В химической промышленности к типовым ОУ относят реакторы, массообменные колонны, теплообменники, насосы, вентиляторы и другие аппараты и устройства технологических установок, включая трубопроводы. Цель управления — достижение желаемых результатов функционирования объекта. Цель управления формируется вне системы управления и является входным сигналом системы управления. Для системы управления одним и тем же объектом цель управления может быть сформулирована по-разному и может изменяться во времени. Например, целью управления ректификационной установкой на нефтеперерабатывающем заводе может быть: получение максимального количества высококачественного бензина при переработке 1 т нефти; получение максимума прибыли при переработке 1 т нефти; минимизация энергетических затрат на переработку 1 т нефти и т. п. Состояние объекта управления описывается функциями  ,  = 1,2, ..., п, которые называются параметрами состояния (переменными состояния). Совокупность параметров состояния образует вектор состояния: Чтобы перевести объект управления в желаемое состояние, ведущее к достижению цели управления, необходимо воздействовать на некоторые параметры состояния, называемые управляемыми (или регулируемыми) параметрами. Обозначим их совокупность вектором  Управляемые параметры являются выходными сигналами (выходами) ОУ (рис. 1). В химической технологии к управляемым параметрам можно отнести температуру, давление, уровень, рН, плотность, концентрацию и другие переменные, характеризующие состояние технологического процесса, к управляющим переменным — расходы теплоносителя, хладагента и т. д. (иногда выражаемые опосредованно через положения затвора клапана, заслонки, обороты двигателя). Состояние объекта управления может изменяться в результате воздействий на него двух типов: управляющих и возмущающих (см. рис. 1). Оба типа воздействий являются входными сигналами (входами) ОУ. В системах управления ХТП управляющие воздействия представляют собой изменения материальных или энергетических потоков. Объект управления является открытой системой и находится в динамическом взаимодействии с внешней средой. Изменения внешних условий, влияющие на состояние ОУ, называют возмущающими воздействиями. Вектор возмущающих воздействий:   Рис. 1. Структурная схема объекта управления Возмущающие воздействия способны вывести ОУ из желаемого состояния. Это своего рода «вредные» воздействия, нарушающие нормальный ход технологического процесса в объекте управления. Вид, характер изменения и величина возмущающих воздействий могут оказаться определяющими при выборе структуры системы управления. Возмущающие воздействия делятся на: контролируемые и неконтролируемые; допускающие и не допускающие стабилизацию. Контролируемые возмущающие воздействия можно измерить (например, изменение расхода вещества, подаваемого из одного аппарата в другой, изменение температуры теплоносителя). Неконтролируемые возмущающие воздействия невозможно или нецелесообразно измерять непосредственно (например, падение активности катализатора, изменение коэффициентов теплопередачи и массопередачи, изменение давления греющего пара в заводской магистрали). Наличие такого рода возмущающих воздействий требует применения САУ с обратной связью. Возмущающие воздействия, не допускающие стабилизацию, по условиям работы невозможно или недопустимо стабилизировать (например, изменение температуры окружающей среды). Возмущающие воздействия, допускающие стабилизацию, — это изменения тех технологических параметров, которые могут быть стабилизированы с помощью специальной аппаратуры или с помощью системы автоматического регулирования. Как правило, такими технологическими параметрами являются параметры входящих в аппарат потоков. Например, можно сгладить колебания расхода на входе в аппарат, установив перед аппаратом ресивер (буферную емкость), а температуру входного потока можно стабилизировать, установив перед аппаратом теплообменник с системой автоматического регулирования температуры. Иногда возмущающие воздействия делят на внешние и внутренние. Внешним возмущающим воздействием (или просто возмущающим воздействием) называют воздействие на систему внешней среды. Например, температура окружающей среды влияет на объект регулирования и может вывести его из желаемого состояния (резкое изменение температуры окружающей среды может привести даже к останову химического реактора). Внутренние возмущающие воздействия возникают внутри системы управления. Например, гранулы ванадиевого катализатора, загружаемые в реактор окисления диоксида серы «в навал», образуют неупорядоченный слой, генерирующий гидродинамические неоднородности, что приводит к появлению «температурных пятен», а это в свою очередь — к изменению активности катализатора, к повышенному его запылению и, как следствие, увеличению гидравлического сопротивления реактора. Таким образом, каталитический реактор является нестационарным объектом, т. е. его свойства изменяются во времени. Однако при исследовании систем управления проще рассматривать объекты как стационарные, а влияние изменяющихся свойств объекта на его состояние выражать с помощью внутренних возмущающих воздействий. С помощью управляющих воздействий система управления влияет на состояние ОУ для достижения цели управления. Вектор управляющих воздействий:  Управляющие воздействия формируются управляющим устройством (УУ). Формирование управляющих воздействий включает: сбор, передачу и обработку необходимой информации; анализ информации; принятие решений, определяющих управляющие воздействия. Реализация управляющих воздействий включает передачу управляющих воздействий и при необходимости преобразование их в форму, непосредственно воспринимаемую объектом управления. |