Автоматизированные системы управления технологическими процессами (АСУТП) в прокатном производстве

Назначение, функции, классификация и принципы построения

АСУ ТП

В соответствии с ГОСТ 20.003-84 АСУТП предназначены для выработки и реализации управляющих воздействий на технологический объект управления (ТОУ) и представляет собой человеко-машинные системы, обеспечивающие автоматизированный сбор и обработку информации, необходимой для оптимизации управления технологическим объектом в соответствии с принятым критерием.

ТОУ – это совокупность технологического оборудования и реализованного на нем технологического процесса. В зависимости от уровня АСУТП в качестве ТОУ можно рассматривать: технологические агрегаты и отдельные установки, реализующие самостоятельные технологические процессы; весь производственный процесс и т.д.

Автоматизированный технологический комплекс (АТК) – совместно функционирующие ТОУ и управляющая им АСУТП.

Определяющие АСУТП как системы отличается от классического определения системы управления из ТАУ, согласно которому САУ – это совокупность ОУ и регулятора. В этом смысле понятие АТК подпадает под классическое определение СУ, где а роли объекта выступает ТОУ, а в роли регулятора – АСУТП.

Сказанное подчеркивает:

1) наличие в АСУТП современных автоматических средств сбора и переработки информации, в первую очередь средств вычислительной техники;

2) роль человека как субъекта управления – лицо принимающее решение (ЛПР);

3) АСУТП – это система переработки технологической и технико-экономической информации;

4) АСУТП – управление в реальном масштабе времени (в темпе протекания технологического процесса);

5) взаимодействие со всеми АСУ.

Рис.6.Обобщенная схема АСУТП: U(t) – входные управляющие воздействия; X(f) – входные контролируемы, но неуправляемые;

E(τ) – возмущения (неконтролируемые воздействия); Y(τ) – выходные переменные технологического процесса.

Функции АСУТП подразделяются на управляющие, информационные и вспомогательные.

Управляющая функция – это выработка и реализация управляющих воздействий на объект управления. К ним относятся: регулирование (стабилизация) отдельных параметров; однотактное логическое управление операциями или аппаратами; программное логическое управление группой оборудования; оптимальное управление установившимися его стадиями; адаптивное управление объектом в целом, например, управление технологическим процессом прокатки.

Блок стратегии прокатки определяет какие величины заданы, какие необходимо определить. Например, для клети задано абсолютное обжатие, тогда расчетом режима обжатий определяются необходимые усилия прокатки, моменты, и соответствующие этому натяжению, скорость и опережения. Если же задано абсолютное усилие прокатки, то программой расчета режима обжатий определяются соответствующие обжатия и остальные величины. Аналогично для стана (последовательность взаимосвязанных клетей).

Информационные функции АСУТП – это сбор, обработка и представление информации о состоянии АТК оператором или передача для последующей обработки в системные системы управления (АСУП, АСУО и т.п.)

Вспомогательные функции АСУТП – это обеспечение контроля за состоянием работы технических и программных средств.

Классификация АСУ ТП В зависимости от распределения информационных и управляющих функций между ЛПР и УВМ, между УВМ и средствами контроля и регулирования различают три принципа построения АСУТП:

а) централизованная включает в себя устройство связи с объектом (УСО) и УВМ, осуществляющее централизованное управление одним или несколькими технологическими процессами.

Рис.7.Типовая структура централизованной АСУТП

Характерным примером являются системы с непосредственным или прямым цифровым управлением (ПЦУ)(см. рис. ниже)

Рис.8. Система с непосредственным или прямым управлением (ПЦУ): Д – датчик; ВП – вторичный преобразователь; РК – распределитель каналов; УВв – устройство ввода; КК – коммутатор канала; УВыв – устройство вывода.

Оператор должен иметь возможность изменять установки, контролировать величины, изменять параметры настройки и иметь доступ к управляющей программе. Для этого имеется пульт оператора и средства отображения информации. Применение УВМ в режиме ПЦУ позволяет строить программным путем системы регулирования по возмущению, комбинированные системы каскадного и супервизорного регулирования. ПЦУ позволяет реализовать не только оптимальные, но и адаптационные функции.

Главный недостаток – при отказе в работе УВМ объект теряет управление. Несмотря на высокую надежность всех средств системы, отказы в УВМ возможны, и это обстоятельство необходимо учитывать при построении и эксплуатации АСУТП и ПЦУ.

б) более широкими возможностями и лучшей надежностью обладают АСУТП, в которых непосредственное управление объектами ТП осуществляют локальные средства регулирования (ЛР), а УВМ выполняет функции «советчика» в так называемом «супервизорном режиме». Структура супервизорной АСУТП изображена на рис.9.

Рис.9. Структура супервизорной АСУ ТП

По данным, поступающих от датчиков (Д) локальных систем через УСО (устройство связи с объектом), УВМ вырабатывает значения установок в виде сигналов, поступающих непосредственно на входы систем автоматического регулирования. Основная задача супервизорного управления (СупУ) – автоматическое поддержание процесса вблизи оптимальной рабочей точки. Кроме того СупУ позволяет оператору-технологу использовать плохо формализуемую информацию о ходе технологического процесса, вводя через УВМ коррекцию установок, параметров алгоритмов регулирования в локальные контуры (подсистемы). Например, оператор может вводить необходимые изменения при изменении сырья и состава производимого продукта (изменение хим. состава стали, толщины и мех. свойств проката). Это требует новых знаний коэффициента уравнений математической модели ОУ, что может выполняться другой внешней ЭВМ (резервной) или самой УВМ в случае неполной ее загрузки. Функции оператора сводятся лишь к наблюдению и вмешательству в процесс управления только в аварийных ситуациях. Достоинством СупУ является то, что УВМ в ней не только контролирует процесс, но и автоматически управляет им вблизи оптимальной рабочей точки.

в) все более широкое использование для управления ТП микропроцессоров и микро ЭВМ с достаточно низкой стоимостью способствует децентрализации структуры АСУ ТП. Переход от централизованных систем управления к децентрализованным вызван также возрастанием мощности отдельных технологических агрегатов, их усложнением, повышением требований по быстродействию и точности к их работе.

Наиболее перспективным направлением децентрализации АСУ ТП следует признать автоматизированное управление процессами с распределенной архитектурой, основанной на функционально-целевой и топологической децентрации объекта управления.

Функционально-целевая децентрализация – это разделение сложного процесса или системы на меньшие части – подпроцессы (подсистемы) по функциональному признаку (например, переделы технологического процесса производства проката, режимы работы отдельных агрегатов – стана, НТА и др.), имеющие самостоятельные цели функционирования (например, основная цель стана холодной прокатки, заданная толщина полосы)

Топологическая децентрализация – это разделение процесса на функционально-целевые подпроцессы по территориальному (пространственному) признаку. При оптимальной топологической децентрализации число подсистем распределенной АСУ ТП выбирается так, чтобы минимизировать суммарную длину линий связи, образующих вместе с локальными подсистемами управления сетевую структуру. Технической основой современных распределенных систем управления являются микропроцессоры и микропроцессорные системы (МП-сист), которой называют любую вычислительную, информационно-управляющую или управляющую систему, устройством обработки информации которой является микропроцессор (МП). МПС выполняет функции сбора данных, регулирования и управления, представление всей информации базы данных, измерения уставок, параметров алгоритмов и самих алгоритмов, оптимизации и т.п.

С помощью МПс можно достичь следующих целей:

1) Заменить аналоговые технические средства (ТС) на цифровые, где это необходимо;

2) Заменить ТС с жесткой логикой на программируемые (с возможностью изменения программы) устройства или контромеры (программируемый микропроцессорный контроллер (ПМК) – это изделия группы устройств преобразования, обработки, ранения информации и выработки команд управления, реализованных на базе микропроцессорной техники и являющихся по сути специализированными управляющими микро ЭВМ для работы в локальных и распределенных системах управления в реальном времени в соответствии с набором рабочих программ, размещенных в постоянном запоминающем устройстве (ПЗУ, а не в ОЗУ).

3) Заменить одну мини ЭВМ системой из нескольких микро ЭВМ, когда необходимо обеспечить децентрализованное управление ТП с повышенной надежностью и живучестью или когда возможности мини ЭВМ полностью не используются.

Так как распределенная система содержит минимум две функционально связанные подсистемы, то в механическом плане образуется либо многомашинная система, содержащая более одной машины, имеющих каждая свою операционную систему, либо многопроцессорная система, содержащая более одного процессора, которые имеют доступ к общей центральной памяти, к части устройств ввода, вывода и управляются одной общей операционной системой (так называемая мультимикропроцессорная система).

Многомашинная система, работающая в единой операционной среде (ОС), которая является расширением операционных систем ЭВМ (отдельны узлов), определяется как локальная вычислительная сеть. Если ЛВС используется для технической реализации систем управления, то она называется локальной управляющей вычислительной сетью (ЛУВС).

В распределенных АСУТП приняты в основном три топологические структуры взаимодействия подсистем: а) звездообразная (радиальная); б) кольцевая (петлевая); в) шинная (магистральная).

а)

б)

в)

Особенности перечисленных структур децентрализованных АСУТП:

1. РАДИАЛЬНАЯ:

1) Существуют отдельные, не связанные между собой линии, объединяющие центральную подсистему (ЦП) с локальными системами автоматики (ЛА1).

2) Технически просто реализуются устройства сопряжения УС1 – Уст локальной автоматики. Центральное устройство связи УСЦ представляет набор модулей типа УС1 по числу линий.

3) Обеспечиваются максимальные скорости обмена по отдельным линиям.

4) Надежность подсистемы связи в значительной степени зависит от надежности ТС ЦП (ТС - технические средства).

Система с радиальной структурой – двухуровневая.

Кольцевая и шинная структуры имеют ряд достоинств по сравнению с радиальной.

1. Работоспособность подсистемы связи, включающей в себя канал устройства связи, не зависит от исправности ТС на уровнях автоматизации.

2. Имеются возможности подключения дополнительных устройств и контроля всей подсистемы с помощью специальных средств.

3. Необходимы меньшие затраты кабеля.

Шинная (в меньшей степени кольцевая) структура обеспечивает широковещательный режим обмена между подсистемами, что является важным преимуществом при реализации групповых команд управления.

Кольцевая менее дорогостоящая, чем шинная, но менее надежная.

Для повышения «живучести» АСУТП наряду с использованием дублированных устройств согласования в узлах подсистем, применяются все чаще методы комбинирования структур, сочетая их достоинства.

Наибольшее распространение в современных АСУТП нашел магистрально – модульный принцип построения технического обеспечения, использование которого приводит к проблемам организации ЛУВС.

Рис.10. Упрощенная структура ЛУВС с магистральной структурой