Компьютер в системах автоматизации

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

1. Система и ее среда. Иерархия систем

Любая система представляет собой не просто набор элементов, пусть и имеющих общие признаки, а определенную целостность, обеспечивающую наличие связей и взаимодействие между ее элементами.

Система представляет собой как множество элементов, находящихся друг с другом в определенных отношениях. Также существует множество элементов, находящихся за пределами системы, с которыми она взаимодействует. Это множество элементов за пределами системы называют внешней средой. Элементы, не взаимодействующие с системой, не являются частью этой внешней среды.

Система, не имеющая связей с внешней средой, называется изолированной, а система, у которой есть внешняя среда, называется открытой. В случае открытой системы одним из основных вопросов является что включать в эту систему, а что во внешнюю среду.

Субъективность конфигурации системы заключается еще и в том, что совокупность каких-то элементов является частью другой системы. Т.е. множество элементов системы можно разделить на ряд подмножеств, которые называются подсистемами.

Система S образована из 7 элементов, которые можно разбить на ряд подмножеств. Подмножество А состоит из элементов 1-3, подмножество В состоит их элементов 4-5, а подмножество С состоит из элементов 6-7.

Множество А можно рассматривать как систему, а подмножества В и С - как внешнюю среду.

В зависимости от представления АСУ ТП имеет от 2х до 4х уровней иерархии.

Нижний (нулевой) уровень системы включает набор датчиков и устройств, встраиваемых в конструктивные узлы технологического оборудования, и предназначенных для сбора первичной информации и реализации управляющих воздействий.

Первый уровень служит для непосредственного автоматического управления ТП с помощью различных устройств сопряжения (УСО) и промышленных контроллеров. Этот уровень получил название Control.

Второй уровень - SCADA - сбор данных и диспетчерское управление. Это уровень производственного участка цеха. На этом уровне осуществляется сбор информации с нижнего уровня, автоматизация, хранение, выборка управляющих сигналов на основе этого анализа, передача информации о производственном участке или ТП на более высокий уровень, сведение математических балансов, архивирование информации и генерирование отчетов, диагностика от сбоев в элементах системы от нижнего уровня. Основное - производится оптимизация ТП по технологическим параметрам.

Третий уровень - MES - средства управления производством. Выполняет упорядоченную обработку информации о ходе изготовления продукции в различных цехах, обеспечивает управление качеством, является источником необходимой информации в реальном времени для высокого уровня управления.

Четвертый уровень - MRP - планирование ресурсов предприятия. В РФ такой уровень называется АСУП. Предназначен для планирования общей производственной деятельности предприятия, снабжения, сбыта, анализа, прогнозирования и т.д.

2. Анализ и моделирование систем

Модель позволяет выделять и изучать только те свойства объекта, которые необходимы для решения проблем. Модель - это не точная копия объекта, а отображение лишь наиболее существенных частей для его управления. Основной проблемой в построении любой модели является разумное ее упрощение.

Если связи системы А и В являются взаимооднозначным соответствием, то эти системы изоморфны. Система В называется домофорной относительно системы А, если каждой связи и элементу системы А соответствует определенный элемент или связь системы В.

Модели делятся на физические и абстрактные. В абстрактных моделях описание объекта дается на каком-либо языке (язык схем, математических терминов, чертежей). Примеров служит MatLab.

3. Классификация систем управления

Системы управления классифицируются по следующим признакам:

Степень автоматизации функции управления

Степень сложности

Степень определенности

По типу объекта управления

1. В зависимости от степени автоматизации функции управления различают:

Ручное

Автоматизированное

Автоматическое

2. По степени сложности системы:

Простые

Сложные

Сложные системы характеризуются рядом признаков:

Число параметров, которыми описывается система, велико. Часть не поддается описанию и измерению.

Цели управления не поддаются формальному описанию без упрощения.

Трудно, иногда и невозможно дать формальное описание сложной системы.

3. По степени определенности:

Детерминированные

Вероятностные (стохастические)

В детерминированных системах по ее предыдущему состоянию и некоторой дополнительной информации можно вполне определенно предсказать последующее. Простая детерминированная система: автопилот. Сложная детерминированная: ЭВМ.

В вероятностных системах на основе предыдущего состояния и некой информации можно лишь определить вероятность наступления какого-либо последующего состояния.

Простая вероятностная: система контроля качества продукции. Сложная вероятностная: производственное предприятие.

4. По типу объекта управления АСУ:

АСУ ТП

АСУ П (производством)

САПР

АСНИИ

ГИС (системы, в которых для описания объекта управления используется географическая информация)

4. Определение технологического процесса

Назначение любой АСУ - ее необходимые функциональные возможности, желаемые технические характеристики и другие особенности, в значительной степени определяемые тем объектом, для которого создается эта система. Для АСУ ТП управляемым объектом является технологический объект управления (ТОУ), представляющий собой совокупность технологического оборудования и реализованного на нем в соответствии с инструкцией и регламентом технологического процесса производства целевого продукта. Это определение ТОУ подчеркивает с одной стороны единство оборудования и процесса, а с другой - законченность процесса преобразования входных ресурсов в конечный продукт.

Управляя ТОУ, АСУТП воздействует на те или иные элементы оборудования, а именно, электродвигатели, дроссели и т.д. Интенсивность этих управляющих воздействий выбирается таким образом, чтобы реализуемый в этом технологическом оборудовании процесс переработки математических и энергетических входных ресурсов в конечный результат осуществлялся наиболее целесообразным образом.

При разработке АСУ ТП очень важно правильно выделить объект управления из общей организационно-технологической структуры предприятия. В качестве ТОУ могут рассматриваться:

Технологические агрегаты и установки

Отдельное производство, реализующее самостоятельно законченный технологический цикл

Производственный процесс всего промышленного предприятия, если управление им в первую очередь и в основном носит технологический характер, т.е. заключается в выборе рациональных режимов взаимодействия отдельных агрегатов, участков и устройств.

Все современные процессы производства должны выполняться в четком соответствии с определенными инструкциями, правилами, регламентными нормами и т.п., чьим выбором занимаются специалисты по технологии (технологи).

Процессы превращения исходных материалов (сырья, заготовок, полуфабрикатов) в готовую продукцию с помощью соответствующего оборудования называются технологическим процессом.

Осуществление любого ТП в материальном производстве требует выполнения определенных действий по управлению им, т.е. по изменению хода процесса в желаемом направлении. Именно поэтому ТП могут и должны рассматриваться как управляемый объект.

Любой производственный процесс в целом и каждой фазе представляет собой совокупность взаимосвязанных одиночных процессов: вспомогательных, обслуживающих, основных.

К вспомогательным относятся изготовление инструмента, ремонт оборудования, производство энергоресурсов и т.д.

К обслуживающим относят технический контроль качества, транспорт, складирование и т.д.

Основную часть производственного процесса составляют ТП.

ТП определяет изменение форм, размеров и физико-химических свойств предметов труда. Для целей лучшей организации и нормирования труда ТП расчленяют на операции.

Операция - это часть ТП над определенным предметом труда, выполняемая на определенном участке определенной группой рабочих.

По технологическим признакам операции разделяют:

Установки

Переходы

Проходы

Установкой называют часть операции, выполняемая при неизменном положении предмета труда.

Переход - это часть операции, выполняемая над изменением одного или одновременно нескольких предметов труда, или несколькими инструментами при неизменном режиме работы оборудования.

Проход - часть перехода, при котором изменяются свойства предмета труда без смены инструмента и изменения режима обработки.

Разнообразие ТП обуславливается следующими основными факторами:

Видом используемого сырья

Формой и количеством необходимых энергоресурсов

Количеством операций преобразования этого сырья

Временными характеристиками операций ТП

Видом готовой продукции

5. Классификация технологических процессов

Процессы превращения исходных материалов (сырья, заготовок, полуфабрикатов) в готовую продукцию с помощью соответствующего оборудования называются технологическим процессом.

Разнообразие ТП обуславливается следующими основными факторами:

Видом используемого сырья

Формой и количеством необходимых энергоресурсов

Количеством операций преобразования этого сырья

Временными характеристиками операций ТП

Видом готовой продукции

По характеру протекания ТП:

Непрерывные

Периодические

Дискретные

Непрерывный ТП - процесс, в котором конечный продукт производится до тех пор, пока подводится сырье, электроэнергия, осуществляется управление и т.д.

Периодический - ТП, в котором за определенный период времени (часы или дни) вырабатывается определенное конечное количество продуктов, при этом на данном промежутке процесс является непрерывным.

Дискретный - ТП, в котором готовый продукт вырабатывается за определенный период времени, и который можно остановить и продолжить после любой технологической операции без последствий.

Необходимость управления ТП диктуется следующими факторами:

Для обеспечения качества готовой продукции состав и количество входных компонентов должно поддерживаться на заданном уровне

Износ орудий труда и перемены в составе сырья требуют изменения, настройки параметров ТП

Пуск и останов некоторых ТП требует выполнения специфических, четко синхронизированных операций

Характерной особенностью современных ТП является то, что управление ими занимает нижний уровень в иерархии АСУ предприятием. Чем ниже уровень управления системой, тем выше должны быть темпы ее разработки и внедрения, чего невозможно достичь без разработки АСУ ТП на основе системного подхода, обеспечивающего комплексное решение задач наилучшего управления ТП. Необходимость системного подхода диктуется тем, что современные ТП являются сложными объектами с большим количеством входных и выходных переменных и протекают с высоким уровнем производственных шумов и недостатком информации.

Ведение управления ТП должно удовлетворять зачастую противоречивым требованиям:

Качеству готовой продукции

Производительность

Поскольку качество и производительность взаимосвязаны, то системы управления не могут быть автономны, и соответствующую систему придется рассматривать как многомерную.

Система управления качеством, организуемая на каждой технологической операции, должна быть оперативной и работать в реальном режиме времени.

Система управления производительностью состоит из системы управления режимами технологических операций, управления транспортными операциями и межоперационным запасом. Иерархически эта система находится на более высоком уровне по сравнению с системой управления качеством.

6. Технологический процесс как объект управления

Для описания объекта управления используется язык теории управления. В случае одномерного управления:

Многомерное управление:

Xi(t) - исходный материал (сырье); Zi(t) - параметры ТП.

В случае ТОУ имеет место как измеряемые, так и неизмеряемые входные переменные. Часть из них является управляющими, часть неуправляющими.

Неуправляющие переменные называются шумами.

Задача системы управления заключается в компенсации этих шумов. Многомерные системы управления с одним выходом с учетом шумов можно изобразить:

В операторном виде:

Y(t)+n(t)=Ai*Xm

Ai - оператор, описывающий систему.

В зависимости от способа представления оператора входных и выходных переменных также часто осуществляют классификацию АСУ ТП, входные и выходные переменные рассматриваются как детерминированные или случайные.

ТП как последовательность операций может быть представлен как линейное представление:

Сложное линейное представление:

Цикличное:

7. Назначение АСУ ТП

Назначение АСУТП определяется как целенаправленное ведение ТП и обеспечение смежных и вышестоящих систем необходимой информацией. В ряде случаев, когда функционирование новых сверхмощных объектов без современной АСУ является почти невозможным, назначением такой системы является достижение реализуемости и устойчивости такого ТП при высоких режимах использования оборудования.

Создание и функционирование каждой АСУ должно быть направлено на достижение высоких технико-экономических результатов.

Целью функционирования, создания промышленных объектов могут служить обеспечение безопасности, получение заданных параметров выходных характеристик, оптимизация режимов работы, согласование режимов работы оборудования и др.

Степень достижения поставленных целей можно характеризовать с помощью так называемого критерия управления, т.е. показателя, который позволит достаточно полно характеризовать качество ведения ТП, и принимающего определенные численные значения в зависимости от хода ТП.

С математической точки зрения критерий характеризует выполнение цели управления. Одной из общих постановок вопроса критерий является стремлением получить больший экономический эффект, который определяется разностью между стоимостью готовой продукции и затратами на его производство.

Кроме критерия важную роль играют ограничения, которые должны соблюдаться при выборе управляющего воздействия:

Физические (не могут быть нарушены при неправильном выборе управляющего воздействия)

Условные (могут быть нарушены, приведут к значительному ущербу, который не учитывается в критерии)

При управлении наиболее важными являются факторы, учитываемые ограничениями, а не критериями.

Обычно в сложных системах выделить общий критерий невозможно и выделяют частный критерий оптимальности, учитывающий специфику данного объекта и накладываемые на него ограничения. Такими частными критериями могут быть:

Максимальная производительность агрегата при определенных требованиях к качеству продукции и т.д.

Минимальная себестоимость при выпуске продукции в заданном объеме и определенного качества.

Максимальный расход определенных компонентов

Для того, чтобы добиться желаемого (не всегда оптимального) хода ТП в системах управления, необходимо выполнять множество различных разноплановых действий: собирать и регистрировать информацию, управлять и стабилизировать переменные, т.е. принимать разного рода регистрирующие и управляющие решения. Именно эта деятельность системы и называется функционированием.

8. Функции АСУ ТП

Функция АСУ ТП - это совокупность действий системы, направленная на достижение частной цели управления.

АСУ ТП выполняет следующие функции:

Сбор информации

Поддержание технологических параметров на заданных значениях

Контроль за технологическими параметрами, для которых не выполняется функция регулирования

Сигнализация

Блокировка управления из-за ошибочных действий персонала.

Противоаварийная защита

В качестве действий рассматриваются заранее определенные и описанные в эксплуатационной документации последовательность операций и процедур, выполняемых различными частями системы. Под термином функция АСУ ТП понимают именно эту законченную совокупность действий, выполняемых системой.

Общепринято различать информационные и управляющие функции АСУ ТП.

К информационным относятся те функции, результатом выполнения которых является представление оператору или какому-то внешнему объекту информации о ходе управляемого процесса. Примерами таких функций являются:

Контроль за основными параметрами, т.е. их измерение и сравнение с допустимыми, немедленное информирование при возникновении несоответствия.

Измерение или регистрация определенных параметров по желанию оператора или другого внешнего объекта.

Информирование оператора о производственной ситуации на том или ином участке автоматически по запросу

Фиксация времени отклонения некоторых параметров за допустимые пределы

Вычисление по вызову оператора некоторых комплексных показателей, не поддающихся непосредственному измерению и характеризующих качество продукции или любой другой показатель ТП

Вычисление достигнутых технико-экономических показателей работы

Обнаружение и сигнализация о наступлении опасных ситуаций

Выполняя основные информационные функции, АСУ ТП информирует оператора или вышестоящую систему сведениями о ходе ТП и любых отклонениях в нем.

Управляющие функции АСУ ТП включают в себя действия по выработке и реализации управляющего воздействия на объект.

Выработка - это определение рационального воздействия; реализация - это действие, обеспечивающее осуществление решений после выработки.

К основным управляющим воздействиям относятся:

Стабилизация основных переменных ТП на некоторых значениях, определяемых техническим регламентом.

Программные изменения режима процесса по определенным заранее заданным законам

Защита оборудования от аварий и формирование соответствующего управления для ее достижения

Формирование и реализация определенных управляющих воздействий, обеспечивающих достижение режима, оптимального по определенному критерию

Распределение материальных потоков и нагрузок между различными технологическими агрегатами

Управление пусками и остановками отдельных агрегатов и всей системы

Кроме основных функций иногда выделяют вспомогательные, т.е. функции, обеспечивающие решение внутрисистемных задач, которые не имеют потребителя за пределами системы.

Перечень всех функций конкретной АСУ ТП характеризует ее внешние, т.е. потребительские возможности, для оценки которых обычно пользуются понятиями функциональной, технической и организационной структуры АСУ ТП, каждая из которых представляет определенный аспект системы и характеризует ее с той или иной стороны.

9. Архитектура АСУ ТП

Основные задачи, которые должны решать инженеры, состоят не только в том, чтобы добиться максимальной производительности при минимальной стоимости, но и заложить основы и возможности расширения системы для удовлетворения новых требований. Это возможно лишь в том случае, когда архитектура АСУ ТП является масштабируемой.

В прошлом проектировщики должны были выбирать между централизованной и распределенной структурами, но ни одна из них в полной мере не удовлетворяет условиям современного устройства.

В начале 80х использовалась централизованная архитектура, поскольку один большой компьютер мог осуществить все управление производственными процессами и хранить данные в единой базе данных. Все операторы в такой системе имели единый доступ к данным, поскольку они хранились в одном месте. Только один компьютер нуждался в обновлении. Однако данная архитектура имеет серьезные недостатки:

Начальные инвестиции высоки

Фиксированная емкость системы не допускает последовательного увеличения системы при расширении предприятия

Требования технической квалификации персонала высоки

При полностью распределенной архитектуре задачи управления и сбора данных выполняются на нескольких небольших компьютерах. Каждый компьютер решает собственную задачу, имеет отдельную базу данных. Такая система является достаточно гибкой при невысоких начальных инвестициях. Требования квалификации оператора и его подготовки понижены. Резервирование - выборочное к наиболее важным задачам. Недостатки систем:

Обработка данных на каждом компьютере, что приводит к неэффективному использованию вычислительных мощностей

Отсутствие оптимизации запросов к данным производствам

В конце 90х фирмой Ci Technologies был разработан программный пакет для Windows, который явился инновационным подходом в реализации системной архитектуры, используя лучшее от распределенной и централизованной системной архитектуры. Архитектура Citect революционна и для приложений, работающих с распределенными ресурсами, объединенными в сеть.

10. Системная архитектура Citect

Citect ориентирован на реализацию архитектуры клиент-сервер и имеет в своем составе пять функциональных модулей (серверов или клиентов):

I/O - сервер ввода-вывода. Обеспечивает передачу данных между физическими устройствами ввода-вывода и другими модулями Citect;

Display - клиент визуализации. Обеспечивает операторский интерфейс: отображение данных, поступающих от других модулей Citect, и управление выполнением команд оператора;

Alarms - сервер алармов. Отслеживает данные, сравнивает их с допустимыми пределами, проверяет выполнение заданных условий, и отображает алармы на соответствующем узле визуализации;

Reports - сервер отчетов. Генерирует отчеты по истечении определенного времени, при возникновении определенного события или по запросу оператора;

Trends - сервер трендов. Собирает и регистрирует трендовую информацию, позволяя фиксировать развитие процесса в реальном времени или ретроспективно в окне трендов или в файле.

Каждый функциональный модуль Citect исполняется как отдельная задача независимо от того, исполняются ли модули на одном компьютере или на разных. Поэтому Citect позволяет строить архитектуры различной сложности. Простейшая архитектура состоит из одного компьютера (узла), на котором работают все модули. Если в больших прикладных системах этот узел становится перегруженным, то серверы (I/O, Alarms, Trends, Reports) могут устанавливаться на разных узлах. А если задача сервера ввода-вывода перегружает узел, то можно увеличить число серверов ввода-вывода. Все узлы визуализации могут осуществлять доступ ко всем серверам через сеть. Citect поддерживает NetBIOS, TCP/IP и другие сетевые протоколы. Одновременно могут исполняться несколько протоколов.

Ввод/вывод является интерфейсом между системой управления и производственным процессом. Ввод/вывод оптимизирует и управляет процессом обмена данных на предприятии между физическими устройствами.

Аларм (тревоги) отвечают за генерацию сигналов путем анализа состояний дискретных сигналов и сравнение значений аналоговых переменных с заданным порогом.

Тренды управляют всеми данными, которые необходимо отображать с течением времени. Собранные и обработанные, они посылаются задаче отображения (клиент визуализации) по его запросу об отчете.

Отчеты собирают необходимые данные, в том числе и от алармов и трендов. Отчеты генерируются по определенному критерию, который может вырабатываться периодически, по запросу, в аварийных ситуациях.

Отображение (Display) информации является следующим звеном с оператором и основной составляющей ЧМИ (человеко-машинного интерфейса). Этот процесс управляет всеми данными, предназначенными для отслеживания операторов и выполнения действий, им инициированных. В рамках отображения осуществляется доступ ко всем алармам, трендам и отчетам.

Каждый из описанных процессов функционирует независимо друг от друга, однако они имеют общую черту, т.к. нуждаются в доступе к одним и тем же данным производственного процесса, и лучше всего решаются в рамках централизованной структуры.

Задача отображения больше подходит для распределенных структур, т.к. в системе несколько операторов.

Клиент-серверная архитектура с распределенными задачами как клиентами с общими задачами, как серверами, оптимизирует распределение информации между базами данных.

Citect для Windows может поддерживать высокую производительность даже при распределении задач по многим компьютерам.

11 Разновидности АСУТП

Современные АСУТП достаточно разнообразны и могут отличаться по функциональному составу, степени автоматизации управления объектом, применяемым техническим и программным средствам и др.

Классификация АСУТП определяется с определенными целями: выбора аналога из существующих на начальный период разработки; оценки необходимых ресурсов при укрупненном планировании работ по созданию АСУТП; определение качества (научно-технического уровня); определение капиталоемкости АСУТП в условных единицах.

12. Основные классификационные признаки АСУ ТП

1. Уровень, занимаемый ТОУ и АСУТП в структуре предприятия;

2. Характер протекания технологического процесса во времени;

3. Показатель информационной мощности;

4. Уровень функциональной надежности АСУТП;

5. Тип функционирования АСУТП.

13. Классификация АСУ ТП по уровню, занимаемому в структуре предприятия и по характеру протекания технологического процесса

По уровню, занимаемых ТОУ АСУ ТП:

АСУ ТП нижнего уровня (1)

ТОУ - технологические агрегаты, узлы, участки;

АСУ ТП верхнего уровня (2)

ТОУ - группы установок, цеха, производство, не включает АСУ ТП нижнего

Многоуровневые АСУ ТП (3)

ТО же самое, что и (2), но включает АСУ ТП нижнего уровня.

По характеру протекания Тех. Процесса

С непрерывным ТП;

С непрерывно-дискретным ТП;

С дискретным ТП.

Данная классификация определяется непрерывностью или дискретностью поступления сырья и энергоресурсов и наличием или отсутствием длительных или установившихся режимов.

АСУ непрерывных процессов (Н), характер протекания ТП: непрерывный с близким поддержанием режимов установившихся процессов. К данному производству относится добыча и переработка газа, выработка электроэнергии и т.д.

АСУ непрерывно-дискретных процессов (П) - сочетание непрерывных и прерывистых режимов функционирования различных агрегатов на различных стадиях. К непрерывно-дискретным относятся большинство процессов металлургической, электронной и др. отраслях и характеризуется наличием определенных циклов и сочетанием особенностей непрерывных и дискретных процессов.

АСУ с дискретным ТП (Д) характеризует прерывистые с несуществ. для управления длительностью технологической операции.

14. Классификация АСУ ТП по типу функционирования

Тип функционирования АСУТП характеризуется совокупностью автоматически выполняемых информационных и управляющих функций.

АСУ ТП, функционирующее без использования вычислительного комплекса, относится к нижней ступени иерархии АСУТП и обычно используется для управления относительно простыми технологическими агрегатами и установками; хар-ся малой зависимостью от других ступеней иерархии и в то же время большей оперативностью контроля и управления, имеет следующие функции:

контроль параметров ТП;

Стабилизация ТП на уровне регламента;

Защита оборудования от аварий;

Оперативная связь.

Обычно системы этого уровня состоят из следующих подсистем:

- подсистема автоматического регулирования;

- подсистема дистанционного управления;

- подсистема защиты от аварийной сигнализации.

АСУ ТП с вычислительным комплексом, выполняющим информационные функции.

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

ПУ - пульт управления

О - оператор

УО - устройство отображения

ВК - вычислительный комплекс

В отличие от предыдущих систем, наличие ВК, которое выполняет функции централизованного контроля, вычисления технико-экономических показателей, а также контроль со стороны оборудования. Все задачи по анализу поступающей информации и принятию решений возлагаются на оператора. Все получаемые данные, кроме исп-ия оператора, могут передаваться в вышестоящую АСОУ, могут регистрироваться.

АСУТП с вычислительным комплексом, выполняющим функции централизованного управляющего устройства (супервизорного управления). В них ВК включен в замкнутый контур автоматического регулирования. ВК>САР.

ВК вырабатывает соотв. Управляющие сигналы, которые поступают как управляющие для САР.

15. Состав АСУ ТП

Состав и строение любой АСУ ТП выбирается так, чтобы система соответствовала общим требованиям, содержащихся в ТЗ на ее создание.

- АСУ ТП должна управлять ТП в соответствии с принятым критерием функционирования;

- выполнять все возложенные на нее функции в соответствии с назначением и целями управления;

- обладать требуемыми показателями и характеристиками точности, надежности и быстродействия;

- отвечать эргономическим требованиям, предъявляемым к способам и форме представления операндов, размещению технических средств и сигнальной аппаратуры;

- быть приспособлена к взаимосвязанному функционированию системами управления смежными уровнями иерархии и др. АСУ ТП, т.е обладать свойством технической и информационной совместимости.

- допускать возможность к модернизации.

В состав любой АСУТП входят след. основные компоненты:

1) Техническое обеспечение (вычислительные управляющие устройства, средства получения информации (датчики), средства преобразования, хранения, отображения и регистрации информации, устройства передачи сигналов и исполнительнее устройства)

2) Математическое обеспечение - совокупность математических методов, модулей и алгоритмов, используемых при разработке и функционировании АСУ ТП.

3) Программное обеспечение - совокупность программ, необходимых для реализации функции АСУТП, заданного функционирования комплекса технических средств и предполагаемого развития системы.

4) Информационное обеспечение включает информацию, характеризующую ТП, классификации кодирования технологической и технико-экономической информации, массива данных и документов, необходимых для выполнения всех функций АСУТП, включая нормативно-справочную информации.

5) Организационное обеспечение - совокупность описаний функционально-технических и организационных структур, инструкции для персонала, обеспечивающего функционирование АСУ ТП.

6) Оперативный персонал - технологи, операторы, осуществляющие контроль за управлением ТО в соответствии с инструкциями и рекомендациями по данной АСУ ТП.

16. Техническое обеспечение АСУ ТП

Под техническим обеспечением АСУ ТП принято понимать комплекс технических средств (КТС), предназначенных для функционирования АСУТП. По своим возможностям КТС должен быть достаточным для выполнения всех функций системы. В его состав обычно входят средства получения, реобразования, передачи и отображения информации, управляющие вычислительные и управляющие устройства.В состав технического обеспечения должны входить приборы и устройства, необходимые для наладки и проверки работоспособности КТС и запасные приборы.Технические характеристики используемых средств должны допускать взаимозаменяемость однотипных ТС, быть выбраны с учетом воздействия на ОС и обеспечивать безопасность рабочей системы.Непосредственно на объекте управления устанавливаются:

- первичные измерительные преобразователи (датчики), воспринимающие значения параметров процесса.

- сигнальное двухпозиционное устройство, дающее информацию о включении или выключении соответствующего оборудования.

- Исполнительные двухпозиционные или регулирующие органы, осуществляющие управление за счет соответствующих воздействий.

В непосредственной близости от ТО устанавливаются местные щиты управления, на которые монтируются регуляторы, вторичные измерительные приборы, показывающие, самопишущие и другие устройства локальной автоматики.Оператор, ведущий ТП всего объекта, постоянно находится в центральном пункте управления, который оборудован щитами, пультами, а также печатающим устройством для регистрации параметров и кроссовым шкафом. На пульте установлены измерительные приборы, показывающие, самопишущие (аналоговые и цифровые). Показывающие по выбору оператора адрес и значение параметра. Индикаторы дисплея для представления оператору буквенно-символьной и графической информации. Сигнальное табло, сообщающее оператору те или иные рекомендации по ведению процесса. Часто имеется мнемоническая схема, соответствующая ТП и дающая оперативную информацию о состоянии объекта в любой момент времени. На мнемосхеме автоматически индуцируются отклонения того или иного параметра от нормы.На пульте оператора также устанавливаются дистанционные задатчики, позволяющие оператору изменять установки уставки ресурсов, установленных на щитах, клавиатура для ввода показаний на цифровые приборы, средства связи, ключи ДУ, позволяющие оператору производить на объекте те или иные подключения.На центральном пункте размещается вычислительно-управляющий комплекс АСУ ТП, в состав которых входят устройства информац. подсистемы, коммутаторы сигналов, АЦП устройства выработки отклонения параметров, превышающих допустимые значения, устройства памяти, устройства масштабирования для преобразования относительных показаний в абсолютные.Устройство, управляющее подсистемой. АЛУ, ОЗУ, внешнее запоминающее устройство, устройство мультиплексной связи, ЦАП, устройство кодового управления исполнительными механизмами или органами организации, устройства аналогового управления регуляторами и прочее.Инженерный пульт, рабочее место оператора ЭВМ.

17. Математическое обеспечение (МО) АСУ ТП

Под МО АСУ ТП понимается совокупность математических методов и алгоритмов, используемых при разработке и функционировании таких систем.

МО - это «идеалогическое» содержание АСУ или «мягкий товар».

Управление объектом включает в себя комплекс операций, необходимых для формирования соответствующих целенаправленных воздействий на управляющий объект, а именно операции контроля (получение информации), анализа (выработка и принятие решений) и исполнение.

Для операций выработки и принятий решений по управлению, то прежде, чем выбрать способ реализации, необходимо найти оптимальный или рациональный алгоритм их выполнения. Для этого каждую задачу управления необходимо сформулировать математически.

Математическая формулировка задачи оптимального управления включает в себя 2 элемента:

- Математическую модель;

- Критерий управления.

Под математической моделью понимают систему математических соотношений, описывающих поведение объекта управления и те условия, в которых он работает (возмущение, ограничение). Для представления модели в аналитической форме необходимо знать физическую форму управляемого объекта, его структуру и конструктивные особенности.

Если характеристики управляемого объекта подвержены изменениям, то соответствие модели объекту должно проверяться на основании информации о состоянии объекта. Пользуясь моделью, можно попробовать различные управляющие воздействия, зафиксировать реакцию модели на воздействие, затем выбрать те из них, кот. В наибольшей степени удовлетворяют оптимальным критериям.

Вычислительные комплексы АСУ накапливают информацию об управляемом процессе в виде совокупности значений изменяемых параметров, сведений о состоянии объекта и перерабатывают ее для выработки управляющих воздействий. Переработка информации в вычислительном комплексе осуществляется по алгоритмам, которые отражают технологическую инструкцию ведения процесса.

Алгоритм управления - это формальная инструкция, в которой говорится о том, как обработать информацию о процессе, чтобы получить целесообразное управляющее воздействие. Алгоритм управления обычно достаточно сложен и разбивается на подалгоритмы, соответствующие отдельным задачам управления. Эти подалгоритмы связаны между собой так, что в отдельных случаях работают отдельные звенья общего алгоритма.

18. Программно-информационное обеспечение

Если математическое обеспечение фиксирует идейные аспекты организации управления, то программные и информационные представляют собой конкретную реализацию комплекса алгоритмов функционирования системы управления. Программное обеспечение охватывает круг решений, связанных с разработкой и эксплуатацией программ, а информационное определяет конкретные формы и способы информационного отображения состояния объекта как в виде данных ЭВМ, так и в виде соответствующих форм документов для представления соответствующим лицам, участвующим в управлении процессом.

Под программой принято понимать алгоритм, представленный в форме, понимаемой вычислительной машиной. Обычно при описании принципиальной схемы выделяют отдельно программы, отдельно аппараты. На логическом уровне в схеме управляющей ЭВМ целесообразно выделить 3 части: устройство исполнения программ, программы и данные. Устройства исполнения программ последовательно выполняют одну команду за другой. Эти команды «заставляют» вводить данные с устройств ввода, ввести заданное преобразование данных и осуществлять их вывод на разнообразные устройства. Та часть ЭВМ, которая условно отнесена к программам, содержит наборы команд, описывающих последовательность действий над данными для достижения цели. Это последовательность команд, которую необходимо выполнить для реализации заданного алгоритма обработки данных. Если программа реализует некоторую функцию АСУТП, то ее называют функциональной.

Первой важной чертой функциональной программы является то, что для каждой существует регламент ее исполнения. Он может включать в себя один или несколько режимов исполнения программ:

периодическое включение программ через временной интервал t;

включение программ в заданное время суток;

включение программы по требованию другой программы;

включение программы по требованию оператора;

Второй чертой программ является их многочисленность. Так как включение в работу каждой из программ должно осуществляться по своему регламенту, могут встречаться случаи, когда несколько программ одновременно требуют исполнения. Поэтому устройства исполнения программ должны уметь последовательно исполнять все программы, ожидающие своего исполнения, в том числе с четом приоритета.

Третьей особенностью является то, что для их хранения обычно используется несколько видов памяти, выполнение программы с которых осуществляется с разной скоростью.

19. Состав программного обеспечения АСУТП

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

УП (ОС) - управление программами (операционная система)

УД - управление данными

ПС с ОС - программа связи с ОС

ФП - функциональные программы

Основными элементами ПО являются программы и данные. На устройства исполнения программ, кроме собственно выполнения команд, возлагаются задачи, связанные с выполнением большого числа программ по определенному регламенту. Во-вторых, функция подготовки данных к обработке. Одну часть этого ПО можно назвать управление программами, а вторую часть управление данными.

Т. К ОС управляет исполнением всей совокупности программ, то взаимодействие программ осуществляется только через ОС. Понятие управление данными соответствует программному обеспечению, именуемому СУБД. Основная задача СУБД является организация хранения данных в разных видах устройств памяти и выдача их функциональной программы в том виде, в каком они нужны для обработки. Роль СУБД в современном мире достаточно велика, потому что обеспечить взаимосвязь десятков или сотен программ в СУБД достаточно сложно. Укрупнено данные можно разделить на локальные (для одной программы) и глобальные.

Обычно СУБД обладают набором функций, которыми можно воспользоваться, обращаясь к СУБД из программы.

Типичные функции:

Объявить о существовании нового элемента данных, сообщив его имя и технические характеристики, позволяющие СУБД отвести для него место.

Узнать значение элемента по его имени, изменить значение имени, узнать характеристики элемента данных (тип, место хранения, достоверность.)

Одним из важных требований к ПО является удобство общения человека с ЭВМ и всей АСУ. В настоящее время принята классификация ПО АСУТП, в которой программные элементы делятся на два класса:

- Общее ПО;

- Специальное ПО.

Общее ПО АСУТП - это часть ПО, представляющая собой совокупность программ, необходимых для функционирования собственно вычислительного комплекса вне зависимости от особенностей АСУ и от конкретного набора выполняемых функций.

Общее ПО обычно поставляется со средствами вычислительной техники.

Специальное ПО - это та часть ПО, которая разрабатывается для данной системы и включает в себя программы-реализации управляющих, информационных и вспомогательных. Разрабатывается на базе общего ПО. При разработке СПО необходимо решить 2 круга опросов. Первый связан со структуризацией программного комплекса, т.е. с переходом от алгоритмической структуры к структуре комплекса программ, что означает, что необходимо принять решение о составе программ и их взаимодействии.

Второй круг вопросов связан с организацией взаимодействия программ, которые могут взаимодействовать в двух аспектах.

20. Контроллеры для систем автоматизации (ПЛК) и их типы

Контроллером систем автоматизации называется устройство, выполняющее управление физическими процессами по записанному в него алгоритму с использованием информации от датчиков и вводимых в исполнительные устройства.

МЭК 61131-3 поддерживает 5 языков технологического программирования, что исключает необходимость в специальных программистах при построении систем с использованием контроллеров. В связи с тем, что способ программирования является наиболее существенным признаком классификации контроллеров. Понятие ПЛК все реже используется для обозначения управляющих контроллеров, которые не поддерживают технологические языки программирования.

ПЛК используются практически во всех сферах автоматизации тех. Процессов. Системы противоаварийной защиты в станках с ЧПУ для управления роботами, для сбора и архивирования данных. Большая часть ПЛК используется в управлении станками, на втором месте - управление тех. процессами, далее - задачи перемещения и диагностики и т.д.

Контроллеры используются не только как автономные средства локального управления технологическими объектами, но и в составе масштабных управляющих систем предприятиями.

Жесткие ограничения на стоимость и гигантское множество задач по автоматизации привели к невозможности создания универсального ПЛК. Область автоматизации выдвигает множество задач, в соответствии с которыми развивается и рынок с сотнями разных контроллеров с различными параметрами. Каждый производитель выпускает широкую номенклатуру ПЛК разной мощности и стоимости, чтобы увеличить прибыль за счет сегментирования рынка. Выбор оптимального для конкретной задачи контроллера основывается на соответствии его характеристик решаемых задач при условии минимальной стоимости. Несмотря на огромное разнообразие контроллеров в их развитии имеются общие тенденции:

- уменьшение габаритов;

- расширение функциональных возможностей;

- увеличение числа интерфейсов;

- использование идеологии «открытых систем»;

- использование языков программирования МЭК61131-3

- снижение цены.

Еще одной тенденцией в развитии контроллеров является появление признаков компьютера, а в компьютерах признаков контроллеров (расширенный температурный диапазон, электронный диск, возможность крепление на DIN-рейку, наличие сторожевого таймера, увеличение количества коммуникационных портов и т.д)

Появились компьютеры для жестких условий эксплуатации. Основным отличительным признаком остается его назначение и наличие технологического языка программирования.

Основным показателем ПЛК является число каналов ввода-вывода. ПО этому признаку ПЛК делятся на группы:

- нано ПЛК (менее 16 каналов);

- микро ПЛК (от 16 до 100);

- средние ПЛК (от 100 до 500);

- большие ПЛК (более 500).

По расположению модулей ввода-вывода:

- моноблочные, в которых устройства ввода-вывода не может быть удалено из контроллера и заменено на другое. Конструктивно контроллер представляет единое целое с устройством ввода-вывода.

- модульные, состоящие из общей корзины (шасси), в котором располагается модуль ЦП и сменные модули ввода-вывода.

- распределенные, в которых модули ввода-вывода выполнены в отдельных корпусах, соединяются с модулем контроллера по сети (RS 485) и могут быть удалены на расстояние до 2 км.

Часто перечисленные типы контроллеров комбинируются.

По конструктивному исполнению и способу крепления:

- панельные (для монтажа на панель или дверцу шкафа);

- для монтажа на DIN-рейку внутри шкафа.

- для крепления на стене;

- стоечные;

- бескорпусные, одноплатные для применения в специальных конструктивах оборудования.

По области применения:

- универсально-общепромышленные;

- для управления роботами;

- для управления позиционированием, перемещением;

- ПИД-контроль;

- коммуникационные;

- специализированные.

По способу программирования:

- программируемые с лицевой панелью;

- программируемые переносным программатором;

- программируемые с помощью дисплея, мыши, клавиатуры;

- программируемые с помощью ПК.

Контроллеры могут содержать модули ввода/вывода или не содержать. Примером являются коммуникационные контроллеры, которые выполняют функцию межсетевого шлюза.

21. Архитектура программируемых логических контроллеров (ПЛК)

Во многих отношениях, архитектура программируемых логических контроллеров (ПЛК) напоминает архитектуру ПК общего назначения со специализированными модулями ввода/вывода (I/O). Однако некоторые важные характеристики отличают эти устройства. Во-первых, ПЛК намного более надежны и рассчитаны на безотказную работу в течение многих лет - и это их самая важная особенность. Во-вторых, ПЛК могут использоваться в условиях промышленного производства, где им приходится работать в условиях серьезного электромагнитного излучения, вибрации, экстремальных температур и влажности. В-третьих, ПЛК легко обслуживаются техническим персоналом на производстве.

Аппаратная архитектура ПЛК. Основы

В архитектуре ПЛК мы находим следующие основные компоненты: процессорный модуль, блок питания и модули ввода/вывода. Процессорный модуль состоит из собственно процессора (CPU) и памяти. Кроме того, есть интерфейс к программатору, а также могут быть интерфейсы к удаленным устройствам ввода/вывода и коммуникационным сетям. Питание обычно реализуется с помощью отдельного модуля, как и ввод/вывод. Модули ввода/вывода бывают дискретными (вкл./выкл.), и аналоговыми, а также существуют специализированные модули, например, для управления перемещениями или высокоскоростные счетчики. К модулям ввода/вывода подключаются полевые устройства.

В зависимости от количества каналов ввода/вывода, и конкретного процессора ПЛК, модули ввода/вывода могут быть на том же шасси, что и процессор, и/или на другом или, даже, нескольких шасси. До конца 80-ых, модули ввода/вывода типичных ПЛК размещались на отдельном шасси. В стандартном ПЛК сегодняшнего дня, как правило, модули ввода/вывода расположены на одном шасси с процессором. Некоторые ПЛК позволяют установку больше чем одного процессора на шасси. ПЛК меньшего размера часто монтируются на DIN-рейку. У самых компактных ПЛК, таких как микро-ПЛК или нано-ПЛК, блок питания, процессорный модуль, и весь ввод/вывод идут в одном корпусе. Некоторые микро-ПЛК оборудуются встроенной панелью операторского интерфейса. Для большинства микро-ПЛК количество каналов ввода/вывода ограничено и не подлежит расширению.

22. Характеристики программируемых логических контроллеров (ПЛК)

1) Производительность ПЛК оценивается по следующим параметрам:

-длительность контроллерного цикла (период считывания значений из каналов ввода, обработки в процессоре и записи в каналы вывода);

-время выполнения команд (отдельно логических, с фиксированной и с плавающей точкой);

-пропускная способность шины между контроллером и модулями ввода-вывода;

-пропускная способность промышленной сети;

-время цикла опроса всех контроллеров в одномастерной сети или цикл обращения маркера для многомастерных сетей с маркером (см. раздел "Промышленные сети и интерфейсы");

-время реакции.

2)Время реакции контроллера - это интервал времени от момента появления воздействия на систему (со стороны модулей ввода или оператора) до момента выработки соответствующей реакции. Время реакции зависит от длительности рабочего цикла контроллера, которое определяется быстродействием модулей ввода-вывода и производительностью процессора.

Возможность горячей замены элементов системы (т.е. без отключения питания) достигается одновременно аппаратными и программными средствами.

3)Надежность контроллеров характеризуется наработкой на отказ, которая определяется как отношение суммарного времени работоспособного состояния контроллера к математическому ожиданию числа его отказов в течение этого времени (ГОСТ 27.002-89) или наработкой до отказа - временем от начала эксплуатации до первого отказа. Надежность связана с допустимыми механическими перегрузками - амплитудой вибрации в требуемом диапазоне частот, допустимым ускорением при ударе.

Способность контроллера переводить свои выходы в заранее определенное состояние сразу после обнаружения снижения напряжения питания или после внутреннего отказа называется отказоустойчивым отключением [ГОСТ].

Если повторный запуск ПЛК выполняется после того, как все динамические данные (переменные входов-выходов, состояние внутренних регистров, таймеров, счетчиков, программные контексты) были возвращены в заранее определенное состояние, то такой запуск называется холодным рестартом [ГОСТ].

Горячим рестартом [ГОСТ] называют повторный запуск ПЛК, который выполняется настолько быстро после пропадания питания, что все динамические переменные не успевают измениться и поэтому работоспособность восстанавливается таким образом, будто питания не пропадало.

Теплым рестартом называют повторный запуск после обнаружения неисправности питания с заранее определенным и программируемым пользователем множеством динамических данных и системным контекстом* прикладной программы.

4) Помехоустойчивость контроллера обычно оценивается по его соответствию комплексу стандартов по электромагнитной совместимости (см. раздел "Защита от помех").

Промышленные контроллеры используют гальваническую изоляцию [Денисенко] для устранения паразитных связей по общему проводу, земле и для защиты оборудования от высоких напряжений.

5) Степень защиты от воздействия окружающей среды, обеспечиваемая корпусом контроллера, классифицируется ГОСТ 14254-96. Для обозначения степени защиты используются две буквы "IP", за которыми следуют две цифры. Первая цифра обозначает степень защиты изделия от попадания внутрь твердых посторонних тел, вторая цифра обозначает степень защиты изделия от попадания воды. Важным параметром ПЛК является время от заказа до поставки и наличие нескольких независимых поставщиков.

23. Устройства сбора данных в АСУ ТП

Автоматизированные системы сбора данных в настоящее время являются общедоступным средством получения экспериментальной информации и связано это, в первую очередь, с широким распространением персональных компьютеров. Системы сбора данных находят применение для научных исследований, управления производственными процессами, мониторинга в промышленности, медицине, метеорологии, космонавтике и других областях человеческой деятельности. Автоматизированный сбор данных позволяет получить данные нового качества, которые невозможно получить иными средствами. Это результаты статистической обработки огромного числа измерений, полученных в цифровой форме, возможность регистрации случайно появляющихся событий с недостижимой ранее разрешающей способностью по времени и амплитуде, регистрация быстроизменяющихся процессов.

...