Конспект лекций-ТСУТП. Введение в курс технические средства автоматизации и управления Лекция 1
 Скачать 2.67 Mb.
|
|
4 ВВЕДЕНИЕ В КУРС «ТЕХНИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА АВТОМАТИЗАЦИИ И УПРАВЛЕНИЯ» Лекция №1 Типовые структуры и средства систем автоматизации и управления технологическими процессами. Классы и типовые структуры САиУ.Основные понятия и определения. Лекция №2 Назначение и состав технических средств САиУ, типовое обеспечение САиУ. Характеристики элементов регулирования и управления. Лекция №3 Комплексы технических средств, программно-технические комплексы. Аппаратно-программные средства распределенных САиУ. 5 Лекция №1 Типовые структуры и средства систем автоматизации и управления технологическими процессами. Классы и типовые структуры САиУ. Основные понятия и определения. Современная АСУ ТП (автоматизированная система управления технологическим процессом) представляет собой многоуровневую человеко- машинную систему управления. Объект управления Возмущения Контролируемые параметры Датчики Управляющее устройство Исполнительное устройство АРМЫ Сеть предприятия Регулирующее воздействие Рис. 1.1. Пример структуры АСУ. Упрощенная структура АСУ представлена на рис. 1.1, в зависимости от производства, от целей автоматизации структура АСУ может включать подсистемы – РСУ и ПАЗ, различные дополнительные уровни и элементы. Основными видами устройств в схемах автоматизации являются: 1) датчики. Современные датчики могут включать следующие составляющие – измерительный преобразователь (преобразует физическую величину в электрическую), преобразователь в унифицированный сигнал (опционально), индикатор (опционально), микропроцессорную составляющую (опционально). Датчик, сенсор (от англ. sensor) — термин систем управления, первичный преобразователь, элемент измерительного, сигнального, регулирующего или 6 управляющего устройства системы, преобразующий контролируемую величину в удобный для использования сигнал. Общие сведения Датчики являются элементом технических систем, предназначенных для измерения, сигнализации, регулирования, управления устройствами или процессами. Датчики преобразуют контролируемую величину (давление, температура, расход, концентрация, частота, скорость, перемещение, напряжение, электрический ток и т. п.) в сигнал (электрический, оптический, пневматический), удобный для измерения, передачи, преобразования, хранения и регистрации информации о состоянии объекта измерений. Классификация датчиков Классификация по измеряемому параметру Датчики давления Датчики расхода Уровня Температуры Датчик концентрации Радиоактивности (также именуются детекторами радиоактивности или излучений) Перемещения Положения Фотодатчики Датчик углового положения Датчик вибрации Датчик механических величин Датчик дуговой защиты Классификация по принципу действия Оптические (фотодатчики) Магнитоэлектрические (На основе эффекта Холла) Пьезоэлектрические Тензо преобразователь Ёмкостной датчик Потенциометрический датчик Индуктивный датчик Индукционный датчик Классификация по характеру выходного сигнала Дискретные Аналоговые 7 Цифровые Импульсные 2) управляющие устройства. В зависимости от задачи автоматизации, УУ может быть регулятор, микроконтроллер, контроллер. Регулятор — в теории управления устройство, которое следит за работой объекта управления как системы и вырабатывает для неё управляющие сигналы. Регуляторы следят за изменением некоторых параметров объекта управления (непосредственно, либо с помощью наблюдателей) и реагируют на их изменение с помощью некоторых алгоритмов управления в соответствии с заданным качеством управления. Основные принципы Регуляторы в подавляющем большинстве работают по принципу отрицательной обратной связи с целью компенсировать внешние возмущения, действующие на объект управления и отработать заданный извне или заложенный в системе закон управления. Примером может служить регулятор скорости двигателя. 3) исполнительные устройства. Исполнительное устройство — в кибернетике подсистема, передающая воздействие с управляющего устройства на объект управления. Управляющим устройством может быть человек, робот, регулятор или любая другая динамическая система. Входные и выходные сигналы исполнительных устройств, а также их методы воздействия на объект управления могут иметь различную природу. Примеры и применение Исполнительное устройство в контуре простейшей следящей системы: сигнал рассогласования ε (разность задающего сигнала r и сигнала обратной связи u) с помощью управляющего устройства преобразуется в сигнал управления v, который передаётся на объект управления. Примеры исполнительных устройств: В технике, исполнительные устройства представляют собой преобразователи, превращающие входной сигнал (электрический, оптический, 8 механический, пневматический и др.) в выходной сигнал (обычно в движение), воздействующий на объект управления. Устройства такого типа включают: электрические двигатели, электрические, пневматические или гидравлические приводы, релейные устройства, электростатические двигатели, хватающие механизмы роботов, приводы их движущихся частей, а также многие другие. Исполнительное устройство Исполнительное устройство - устройство системы автоматического управления или регулирования трубопроводной арматурой, воздействующее на процесс в соответствии с получаемой командной информацией. Исполнительное устройство состоит из двух функциональных блоков: исполнительного механизма и регулирующего органа и может оснащаться дополнительными блоками. Исполнительный механизм - механизм предназначенный для управления исполнительным органом в соответствии с командной информацией. В системах автоматического регулирования исполнительный механизм предназначен для перемещения затвора регулирующего органа. Регулирующий орган - исполнительный орган, воздействующий на процесс путем изменения пропускной способности. Дополнительный блок Дополнительный блок - блок, предназначенный для расширения области применения исполнительного устройства в различных схемах управления. Датчик положения - дополнительный блок, дающий информацию: - о положении выходного элемента исполнительного механизма (для исполнительного механизма); - о положении затвора исполнительного устройства (для исполнительного устройства). Позиционер - дополнительный блок исполнительного механизма: - контролирующий положение регулирующего элемента; - предназначенный для уменьшения рассогласования путем введения обратной связи по положению выходного элемента исполнительного механизма. Ручной дублер - дополнительный блок для ручного управления арматурой с приводом, в случаях, когда привод не используется по каким-либо причинам. Фиксатор положения - дополнительный блок, фиксирующий: - положение выходного элемента исполнительного механизма (для исполнительного механизма); - затвора исполнительного устройства (для исполнительного устройства). 4) различные промежуточные элементы – преобразователи, клеммники, реле, барьеры искробезопасности, пускатели, кнопочные посты, графические панели, пульты и т.д. 9 В настоящее время АСУ предприятием может включать следующие составляющие – АСУ ТП (РСУ, ПАЗ), ERP-системы (системы планирования ресурсов предприятия), HRM (системы управления персоналом) и т.д. РСУ – распределенная система управления Распределённая система управления (англ. Distributed Control System, DCS) — система управления технологическим процессом, характеризующаяся построением распределённой системы ввода вывода и децентрализацией обработки данных. РСУ применяются для управления непрерывными и гибридными технологическими процессами (хотя, строго говоря, сфера применения РСУ только этим не ограничена). К непрерывным процессам можно отнести те, которые должны проходить днями и ночами, месяцами и даже годами, при этом останов процесса, даже кратковременный, может привести к порче изготавливаемой продукции, поломке технологического оборудования и даже несчастным случаям. Первые DCS были представлены на рынок в 1975 компаниями Honeywell (система TDC 2000) и Yokogawa (система CENTUM). Американский производитель Bristol Babcock в том же году представил свои универсальные контроллеры UCS 3000. Противоаварийная защита – ПАЗ ПАЗ – система безопасности технологического процесса, простроенная на средствах измерения, вычислительной техники, исполнительных механизмах. ПАЗ является частью АСУ ТП. Физически состоит из датчиков, логических элементов, исполнительных механизмов, контроллеров. ПАЗ предназначена для перевода процесса в безопасное состояние при возникновении нарушений предопределенных условий. ПАЗ принимает решение на разрешение продолжения нормальной работы технологического процесса при отсутствии нарушений и совершает действия, направленные на предотвращение и устранение технических ошибок. ПАЗ должна обеспечивать: - сбор информации от датчиков технологических параметров состояния исполнительных механизмов, параметров ДВК (довзрывной концентрации), ПДК (предельнодопустимой концентрации) и аварийной вентиляции; - анализ и логическую обработку входной информации; - выдачу сигналов на исполнительные механизмы; - дистанционное управление исполнительными механизмами со станции технолога-оператора при условии санкционированного доступа, либо со специальной оперативной панели ПАЗ; 10 - передачу оперативной информации от системы ПАЗ в РСУ для сигнализации, регистрации и архивирования; - выделение первопричины останова технологического процесса; - самодиагностику состояния технических средств системы ПАЗ. Методы и средства защиты технологических объектов выбираются на основе анализа опасностей и условий возникновения и развития предаварийных и аварийных ситуаций, особенностей технологического процесса и аппаратурного оформления. Выбор архитектуры системы ПАЗ и ее элементов осуществляется исходя из категории взрывоопасности технологического объекта, а также требований по эксплуатации, обслуживанию и ремонту технологического объекта. Выбор конкретного поставщика оборудования системы ПАЗ также является ответственной и важной задачей при создании безопасного объекта. 11 Лекция №2 Назначение и состав технических средств САиУ, типовое обеспечение САиУ. Характеристики элементов регулирования и управления. ЭТАПЫ РАЗВИТИЯ И ПРИНЦИПЫ ФОРМИРОВАНИЯ СОСТАВА ТЕХНИЧЕСКИХ СРЕДСТВ АВТОМАТИЗАЦИИ Развитие технических средств автоматизации является сложным процессом, в основе которого лежат экономические интересы и технические потребности автоматизируемых производств, с одной стороны, и те же интересы и технологические возможности производителей технических средств автоматизации, – с другой. Первичным стимулом развития является повышение экономической эффективности работы предприятий, благодаря внедрению новых, более совершенных технических средств автоматизации. В развитии экономических и технических предпосылок внедрения и использования автоматизации технологических процессов (ТП) можно выделить следующие этапы: 1. Начальный этап, для которого характерны избыток дешевой рабочей силы, низкая производительность труда, малая единичная мощность агрегатов и установок. Благодаря этому самое широкое участие человека в управлении ТП, т.е. наблюдение за объектом управления, а также принятие и исполнение управляющих решений, на данном этапе было экономически оправданным. Механизации и автоматизации подлежали только те отдельные процессы и операции, управление которыми человек не мог осуществлять достаточно надежно по своим психофизиологическим данным, т.е. технологические операции, требовавшие больших мускульных усилий, быстроты реакции, повышенного внимания и др. 2. Переход к этапу комплексной механизации и автоматизации производства произошел благодаря росту производительности труда, укрупнению единичной мощности агрегатов и установок, развитию материальной и научно– технической базы автоматизации. На этом этапе, при управлении ТП человек– оператор все более занимается умственным трудом, выполняя разнообразные логические операции при пусках и остановах объектов, особенно при возникновении всевозможных непредвиденных обстоятельств, предаварийных и аварийных ситуаций, а также оценивает состояние объекта, контролирует и резервирует работу автоматических систем. На данном этапе формируются основы крупносерийного производства технических средств автоматизации, ориентированного на широкое применение стандартизации, специализации и кооперации. Широкие масштабы производства средств автоматизации и 12 специфика их изготовления приводят к постепенному выделению этого производства в самостоятельную отрасль. 3. С появлением управляющих вычислительных машин (УВМ) начинается переход к этапу автоматизированных систем управления технологическими процессами (АСУТП), совпавший с началом научно–технической революции. На данном этапе становится возможной и экономически целесообразной автоматизация все более сложных функций управления, осуществляемая с использованием УВМ. Но, поскольку УВМ тогда были весьма громоздкими и дорогими, то для реализации более простых функций управления достаточно широко применялись и традиционные аналоговые устройства автоматики. Недостатком таких систем была их невысокая надежность, т.к. вся информация о ходе ТП поступает и обрабатывается УВМ, при выходе которой из строя, ее функции должен был взять на себя оператор–технолог, контролирующий работу АСУТП. 4. Появление относительно недорогих и компактных микропроцессорных устройств позволило отказаться от централизованных систем управления ТП, заменив их распределенными системами, в которых сбор и обработка информации о выполнении отдельных взаимосвязанных операций ТП, а также принятие управленческих решений осуществляется автономно, локальными микропроцессорными устройствами, получившими название микроконтроллеров. 5. Развитие сетевых технологий, позволившее связать в единую корпоративную сеть многочисленные и удаленные друг от друга компьютеры, с помощью которых осуществляется контроль и анализ финансовых, материальных и энергетических потоков при производстве предприятием продукции, а также управление ТП, способствовало переходу к интегрированным системам управления. В этих системах с помощью весьма сложного программного обеспечения совместно решается весь комплекс задач по управлению деятельностью предприятия, включая задачи учета, планирования, управления ТП и др. 6. Повышение быстродействия и других ресурсов микропроцессоров, используемых для управления ТП, позволяет в настоящее время говорить о переходе к этапу создания интеллектуальных систем управления, способных принимать эффективные решения по управлению предприятием в условиях информационной неопределенности, т.е. нехватке необходимой информации о факторах, влияющих на его прибыль. Методы стандартизации и структура технических средств автоматизации. С развитием автоматизации, с появлением новых, все более сложных объектов управления и увеличением объема автоматизируемых функций 13 возрастают требования к функциональному разнообразию устройств автоматизации и к разнообразию их технических характеристик и конструктивных особенностей исполнения. Задача уменьшения функционального и конструктивного многообразия при оптимальном удовлетворении запросов автоматизируемых предприятий решается при помощи методов стандартизации. Решениям по стандартизации всегда предшествуют системные исследования практики автоматизации, типизация имеющихся решений и научное обоснование экономически оптимальных вариантов и возможностей дальнейшего сокращения многообразия применяемых устройств. Принимаемые при этом решения после их практической проверки оформляются обязательными к исполнению государственными стандартами (ГОСТ). Более узкие по сфере применения решения могут оформляться и в виде отраслевых стандартов (ОСТ), а также в виде имеющих еще более ограниченную применимость стандартов предприятий (СТП). Агрегатирование – принцип формирования состава серийно изготавливаемых средств автоматизации, направленный на максимальное удовлетворение запросов предприятий–потребителей при ограниченной номенклатуре серийно выпускаемой продукции. Таким образом, агрегатирование основывается на разложении общей задачи управления на ряд простейших однотипных операций, повторяющихся в тех или иных комбинациях в самых различных системах управления. При анализе большого количества подобных систем управления можно выделить ограниченный набор простейших функциональных составляющих, на комбинации которых строится практически любой вариант АСУТП. В результате формируется состав серийно изготавливаемых средств автоматизации, включающий такие конструктивно завершенные и функционально самостоятельные единицы, как блоки и модули, приборы и механизмы. В соответствии с принципом агрегатирования системы управления создаются путем монтажа модулей, блоков, приборов и механизмов с последующей коммутацией каналов и линий связи между ними. В свою очередь, сами блоки и приборы создаются также путем монтажа и коммутации различных модулей. Модули же собираются из более простых узлов (микромодулей, микросхем, плат, устройств коммутации и т.п.), составляющих элементную базу технических средств. При этом изготовление блоков, приборов и модулей осуществляется полностью в заводских условиях, в то время как монтаж и коммутация АСУТП полностью завершается лишь на месте ее эксплуатации. Такой подход к построению блоков и приборов получил название блочно– модульного принципа исполнения технических средств автоматизации. 14 Применение блочно–модульного принципа не только позволяет проводить широкую специализацию и кооперирование предприятий в рамках отрасли, производящей средства автоматизации, но и ведет к повышению ремонтопригодности и увеличению коэффициентов использования этих средств в системах управления. При этом в рамках отдельного комплекса все блоки и приборы выполняются совместимыми по интерфейсу, т.е. совместимыми по параметрам и характеристикам сигналов–носителей информации, равно как и по конструктивным параметрам и характеристикам устройств коммутации. Принято называть такие комплексы и системы средств автоматизации агрегатными или агрегатированными. В России производство средств автоматизации промышленного назначения осуществляется в рамках Государственной системы приборов и средств автоматизации промышленного назначения (или сокращенно ГСП). ГСП включает все средства автоматизации, отвечающие единым общим технологическим требованиям к параметрам и характеристикам сигналов– носителей информации, к характеристикам точности и надежности средств, к их параметрам и особенностям конструктивного исполнения. |