Основні компоненти

Склад і побудова будь-якої конкретної АСУ ТП вибирається так, щоб система відповідала загально технічним вимогам, установленими ГОСТ і приватним вимогам, які знаходяться в Технічному завданні на її створення.

АСУ ТП повинна:

· управляти технологічним об'єктом у відповідності з прийнятим критерієм функціонування;виконувати всі покладені на неї функції у відповідності з призначенням і метою управління;

· володіти необхідними показниками і характеристиками точності, надійності та швидкодії;

· відповідати ергономічним вимогам, що пред'являються до способів, формою представлення інформації оператору, розміщення технічних засобів і т. д.;

· бути пристосованою до взаємопов'язаного функціонування з системами управління суміжних рівнів ієрархії та іншими АСУ ТП, тобто мати властивість технічної та інформаційної сумісності;

· допускати можливість подальшої модернізації та розвитку.

Крім того, до конкретної АСУ ТП за погодженням розробника і замовника пред'являються і інші необхідні вимоги. Прийнято вважати, що до складу АСУ ТП входять наступні основні великі компоненти (частина системи):

оперативний персонал, інформаційне, організаційне, програмне та технічне забезпечення.

Відзначимо також, що розробка програмного забезпечення проводиться на основі математичного забезпечення, яке до складу АСУ ТП не входить. Спрощена схема взаємодії цих основних компонентів системи показана на рис. 2.1. Розглянемо її докладніше. Як зазначалося раніше, процес функціонування АСУ ТП (як і будь-яка інша система управління) по суті є процесом цілеспрямованого перетворення вхідної інформації у вихідну. В АСУ ТП це перетворення виконується спільно двома компонентами: оперативним персоналом і технічним забезпеченням (комплексом технічних засобів), саме вони збирають вхідну інформацію від об'єкта та інших зовнішніх джерел, обробляють і аналізують її, а потім приймають рішення з управління та реалізують їх формуючи відповідні керуючі впливи на об'єкт і посилаючи інші сигнали, що несуть вихідну інформацію як своєрідну продукцію системи. Тому оперативний персонал і технічні засоби можна вважати головними компонентами АСУ ТП, повністю визначально її людино-машинний характеру. Щоб і люди, і комплекс технічних засобів (КТЗ) могли функціонувати правильно, у відповідності з прийнятими критеріями, необхідно забезпечити їх відповідними правилами та інструкціями. Для оперативного персоналу це завдання виконують документи організаційного забезпечення АСУ ТП, а для основної частини КТЗ (цифровий ЕОМ) – програмне забезпечення, сукупність її програм як машинно-читаючих алгоритмів (інші частини КТЗ реалізують свої алгоритми апаратним способом самою конструкцією, і тому в додаткових інструкціях не потребують).

Між зазначеними компонентами АСУ ТП в процесі її функціонування існує інтенсивна взаємодія (рис. 2.1.): організаційне та програмне забезпечення визначають поведінку оперативного персоналу і ЕОМ відповідно; крім того, персонал активно взаємодіє з технічним забезпеченням і при необхідності коректує програмне забезпечення.

Рис. 2.1. Спрощена схема взаємодії основних компонентів АСУ ТП.

Всі ці взаємодії всередині системи, а також її взаємодія з зовнішнім середовищем несуть в основному і насамперед інформаційний характер, так як зводяться до передачі і прийому інформації у виді різних сигналів, данних, повідомлень, текстів і інше. Такий інформаційний обмін вимагає певних угод по прийнятих формах і можливих значень (змісті, сенсі), тих чи інших інформаційних елементів. Сукупність цих угод та безліч прийнятих форм масивів даних документів, переліків і шкал використовуваних сигналів, кодів і правил їх розшифровки утворює ще один умовно виділений основний компонент АСУ ТП, яке називається інформаційне забезпечення.

Важлива роль цього компонента полягає в тому, що саме через нього (рис. 2.1.), а точніше з його допомогою здійснюються всі процеси обміну інформацією як усередині АСУ ТП, так і з зовнішнім середовищем. Технічне, інформаційне, і програмне (а також математичне) забезпечення АСУ ТП докладно висвітлюються в наступних параграфах. Тут дамо додаткові короткі пояснення до понять «оперативний персонал» і «організаційне забезпечення АСУ ТП».

Оперативний персонал АСУ ТП складається із технологів-операторів (диспетчерів), що здійснюють контроль і управління об'єктом, і експлуатаційного персоналу, який забезпечує правильність функціонування всіх технічних і програмних засобів системи. При сучасному ступені автоматизації багатьох (особливо безперервних) технологічних процесів чисельність операторів (диспетчерів) буває не велика (одна-дві людини). Однак при розробці та експлуатації АСУ ТП слід мати на увазі, що до складу оперативного персоналу, крім операторів (диспетчерів), входить також експлуатаційний персонал, який покликаний своєчасно виконувати всі роботи по обслуговуванні та оперативному відновленні даної системи (ремонтний персонал до складу оперативного включати не прийнято). Основні функції оперативного персоналу і його центральна роль в АСУ ТП будуть розглянуті далі, в главі 3.

Склад оперативного персоналу конкретної АСУ ТП і встановлені взаємовідносини між його працівниками визначають організаційну структуру системи. Елементами такої структури є окремі посадові особи - виробничі або адміністративні працівники, які здійснюють в тій чи іншій мірі управління даним технологічним об'єктом, або їх групи, сформовані за якою-небудь змістовною ознакою. Основні зв'язки між елементами організаційної структури відповідають відносинам оперативної співпорядкованості зазначених працівників, істотним для процесу управління. При необхідності на схемі організаційної структури відображають також територіальне розміщення оперативного персоналу АСУ ТП і його взаємодію з персоналом інших систем та (або) рівнів управління.

Організаційне забезпечення АСУ ТП являє собою сукупність документів, які встановлюють порядок та правила функціонування оперативного персоналу даної системи. Сюди входять технологічні інструкції та регламенти, що визначають ведення процесу, інструкція з експлуатації системи, опису її функціональної, організаційної та технічної структур, а при необхідності інші документи аналогічного змісту. Роль організаційного забезпечення в сучасних АСУ ТП часто недооцінюється, між тим вона дуже важлива: по суті організаційне забезпечення регламентує всю діяльність людини в системі, від найпростіших операцій до її поточного обслуговування до найскладніших і відповідальних дій, наприклад, щодо оптимізації процесу або по виявленню та ліквідації перед аварійних станів. Тому необхідно, щоб в організаційному забезпеченні були чіткі, строгі правила і приписи, що підлягають неухильному виконанню, поєднувалися з положеннями, не тільки залишають певну міру свободи в діяльності людини, але навіть стимулюючими його творчі можливості для подальшого вдосконалення процесу управління. З цією метою при розробці низки документів організаційного забезпечення слід враховувати прийнятий на даному підприємстві порядок соціалістичного змагання, преміювання та економічного стимулювання.

Решта загальні вимоги до організаційного забезпечення АСУ ТП досить прості:

1. Організаційне забезпечення повинно містити сукупність правил і розпоряджень, що регламентують взаємодію оперативного персоналу з комплексом технічних засобів і між собою під час роботи системи;

2. В документах організаційного забезпечення повинні бути приведені всі необхідні дані про порядок експлуатації системи, в тому числі про заходи з підтримки її точності і надійності;

3. Інструкції по експлуатації АСУ ТП мають мати вказівки про дії оперативного персоналу в нормальних, перед аварійних і аварійних ситуаціях.

2.2. ТЕХНІЧНЕ ЗАБЕЗПЕЧЕННЯ

Як зазначалося раніше, під технічним забезпеченням АСУ ТП прийнято розуміти комплекс технічних засобів, призначених для функціонування АСУ ТП. За своїми можливостями КТС конкретної АСУ ТП повинен бути достатнім для виконання всіх покладених на нього функцій системи. У його склад зазвичай входять засоби отримання, перетворення, передачі і відображення інформації, керуючі, обчислювальні та виконавчі пристрої. Таким чином технічне забезпечення АСУ ТП включає в себе повний набір засобів автоматизації та обчислювальної техніки, що використовуються в системі. До складу технічного забезпечення АСУ ТП повинні також входити прилади та пристрої, необхідні для налагодження і перевірки працездатності комплексу технічних засобів АСУ ТП, і запасні прилади. Технічні характеристики використовуваних засобів АСУ ТП повинні допускати взаємозамінність однойменних технічних засобів, бути обрані з урахуванням впливів навколишнього середовища і забезпечувати безпечну експлуатацію системи.

Технічні засоби, найбільш характерні для АСУ ТП, і їх територіальне розміщення наведено для прикладу на рис. 2.2.

Безпосередньо на об'єкті управління встановлюються:

первинні вимірювальні перетворювачі (датчики), що сприймають значення параметрів процесу (тиск, витрата газів або рідин, температуру, електричну потужністю, рівень рідини і т. д.);

сигнальні двопозиційні пристрої, що дають інформацію про включенні або виключенні того чи іншого обладнання;

виконавчі двопозиційні або регулюючі органи, що здійснюють керуючі впливу шляхом відкриття вентилів і заслінок, зміни частоти обертання двигунів, режиму роботи насосів і т. п.

У безпосередній близькості від технологічних об'єктів встановлюються місцеві щити управління, на яких монтуються регулятори 1, вторинні вимірювальні прилади показують 2 і самописні 3, а також інші пристрої і вузли локальної автоматики 4. Іноді місцеві щити не є постійним робочим місцем персоналу, ними користуються обхідники, змінні майстри у міру потреби. Оператор, провідний технологічний процес всього об'єкта управління, постійно знаходиться в центральному пункті управління (див. § 3.3), який обладнаний щитами, пультами, а також електрифікованою друкуючою машинкою 15 для реєстрації параметрів за викликом оператора і кросовою шафою 16.

Рис. 2.2. Характерний приклад технічного забезпечення АСУ ТП.

На пульті встановлені аналогові вимірювальні прилади (показуючі 5, самописні 6), цифрові 7, що показують по виклику оператора адресу (номер) і значення вказують робочі параметра, індикатори на електронно-променевих трубках 8 для представлення оператору буквено-символьної і графічної інформації (дисплеї), сигнальні табло 9, повідомляють оператору ті чи інші рекомендації по веденню керованого процесу.

Крім того, часто є мнемонічна схема 10, відповідна технологічному процесу і дає оперативну інформацію про стан об'єкта в будь-який момент часу (які саме агрегати включені, які заслінки перекриті і т. д.); на мнемосхемі автоматично індукується відхилення того чи іншого параметра від норми.

На пульті оператора також встановлюються:

дистанційні датчики 11, що дозволяють оператору змінювати уставки регуляторів, змонтованих на місцевих щитах;

клавіатура 12 для виклику показань на цифрові прилади 7;

засоби цехового зв'язку 13 (телефонний комутатор або селектор, гучномовний зв'язок і т. п.);

ключі дистанційного керування 14, що дозволяють оператору проводити на об'єкті ті чи інші перемикання.

На центральному пункті розміщується ЕОМ – обчислювальний комплекс АСУ ТП (див. § 3.2). До його складу входять:

пристрої інформаційної підсистеми 17 (комутатори сигналів, аналого-цифрові перетворювачі, пристрій вироблення відхилень параметрів, що перевищують допустимі значення, пристрій пам'яті граничних значень параметрів, пристрій масштабування для перетворення відносних показників датчиків в абсолютні, пристрій опитування станів сигнальних двохпозиційних органів та ін.);

пристрої керуючої підсистеми 18 [арифметичний пристрій, оперативний запам'ятовуючий пристрій, зовнішній запам'ятовуючий пристрій на магнітних дисках або стрічках, пристрій мультиплексного (селекторного) зв'язку з іншими пристроями обчислювального комплексу, цифро-аналоговий перетворювач, пристрої кодового управління виконавчими механізмами або органами сигналізації на щиті оператора, пристрій аналогового управління регуляторами і регулюючими органами та ін.];

інженерний пульт (пульт програміста) 19 – робоче місце оператора ЕОМ;

електрична друкуюча машинка 20, аналогічна машинці 15 в операторському пункті, але призначена для періодичної преси (наприклад, облікових показників за зміну);

зчитувач з перфострічки 21 для введення програм і постійної інформації в пам'ять машини;

стрічковий перфоратор 22 для перфорації на паперовій стрічці проміжних результатів розрахунків.

Сукупність усіх технічних засобів АСУ ТП, зазначених у вигляді конструктивно самостійних приладів, вузлів, пристроїв, прийнято представляти у вигляді технічної структури АСУ ТП, яка відображає основні самостійні частини комплексу технічних засобів, що використовуються в системі; зв'язки між цими елементами символізують реальні фізичні лінії (електричні проводи, кабелі, пнемо-проводи і т. п.), що з'єднують окремі засоби автоматизації в спільно функціонуючий комплекс.

Повна технічна структура АСУ ТП повинна відображати всі основні засоби, необхідні для виконання функцій системи, Однак на практиці основна увага приділяється центральній частині комплексу засобів, що охоплює ті інформаційні, обчислювальні та керуючі пристрої, за допомогою яких виробляються централізована переробка інформації (включаючи управління) та її уявлення персоналу. Ця частина характеризує технічну структуру інформаційно-обчислювальної або інформаційно-керуючої підсистеми АСУ ТП. Технічна структура АСУ представляється у вигляді структурної схеми, супроводжуваної пояснювальним текстом.

Приклад укрупненої схеми технічної структури АСУ хімічним виробництвом, що складається з кількох цехів, показаний на рис. 2.3. Інформація від об'єкта управління надходить через пристрій телемеханіки з декількох (до 25) контрольованих пунктів (КП), встановлених у цехах та пов'язаних з пунктом управління (ПУ) двохпровідного зв'язку. Апаратура ПУ зв’язана з обчислювальним комплексом і має виходи на наступні пристрої: пульт диспетчера, щит сигналізації, щит реєструючих приладів та апаратуру алфавітно-цифрового друку. Обчислювальний комплекс має вихід на щит реєструючих приладів, станцію індикації даних (дисплей) і пульт диспетчера.

Рис. 2.3. Приклад технічної структури АСУ хімічним виробництвом.

Функціональна (див. § 1.2) та технічна структури АСУ ТП не є тотожними і представляють різні аспекти однієї і тієї ж системи. Так, схема функціональної структури відображає склад і порядок виконання функцій системи управління технологічним процесом. У схемі технічної структури умовно зображуються засоби, за допомогою яких реалізуються ці функції.

2.3. МАТЕМАТИЧНЕ ЗАБЕЗПЕЧЕННЯ

Відповідно до термінологічними стандартами під математичним забезпеченням АСУ ТП розуміється сукупність математичних методів, моделей і алгоритмів, що використовуються при розробці та функціонуванні таких систем. У міру розвитку застосування обчислювальної техніки в АСУ ТП їх математичне забезпечення разом з побудованим на його основі програмним забезпеченням набуває все більшого значення і стає порівнянним, а іноді і перевищує по вартості комплекс використовуваних технічних засобів. Образно кажучи, математичне забезпечення - це «ідеологічний зміст» АСУ або так званий м'який товар (на відміну від так званого твердого товару, яким іменують технічні засоби системи управління).

Як зазначалося раніше, управління об'єктом включає в себе комплекс операцій, необхідним для формування відповідних цілеспрямованих впливів на керований об'єкт, а саме операції контролю (отримання інформації), аналізу (вироблення і прийняття рішень) і виконання (реалізація керуючих впливів). Операції отримання інформації та реалізації керуючих впливів в більшості випадків виконуються в АСУ ТП автоматично, за допомогою засобів технічного забезпечення, розглянутих раніше. Що ж стосується операцій вироблення і прийняття рішень по управлінню, то, як правило, перш ніж вибрати спосіб їх реалізації, необхідно знайти оптимальний (або хоча б раціональний) алгоритм їх виконання. Для цього кожну задачу управління треба сформулювати математично.

Математичне формулювання будь-якої задачі оптимального управління включає в себе два елементи: математичну модель об'єкта і критерій управління. Під математичною моделлю розуміють систему математичних співвідношень, що описують поведінку об'єкта управління і ті умови (обурення, обмеження і т. д.), в яких він працює. Для представлення моделі в аналітичній формі необхідно знати фізичну природу керованого об'єкта, його структуру та конструктивні особливості. Модель завжди в тій чи іншій мірі наближених і може не враховувати ряду тонких явищ, що відбуваються в об'єкті, і в той же час може з успіхом використовуватися для визначення керуючих впливів при різних сукупностях значень параметрів об'єкта. Це можна зробити як в темпі з ходом процесу, так і в режимі випереджаючого аналізу, оскільки велику швидкодію сучасних обчислювальних машин дозволяє провести відповідні випереджальні розрахунки.

Якщо характеристики керованого об'єкта схильні до змін, то відповідність моделі об'єкту має безперервно перевірятися і уточнюватися на основі інформації про стан об'єкта. Модель закладається в обчислювальну машину (тобто зберігається в її запам'ятовуючому пристрої у вигляді програми). Користуючись моделлю, можна випробувати різні управляючі дії, отримати і зафіксувати реакції моделі на ці впливи, а потім вибрати ті з них, які найбільшою мірою задовольняють оптимальному критерію.

Обчислювальні комплекси, що входять в АСУ, накопичують інформацію про керований процесі у вигляді сукупності значень вимірюваних параметрів, відомостей про стан устаткування та іншу і переробляють її для вироблення управляючих впливів. Переробка інформації в ВК здійснюється за алгоритмами, які відображають технологічну інструкцію ведення процесу. В інструкції сказано про те, яким чином, володіючи інформацією про процес, отриманої на основі вимірів, і знаючи всі обмеження, що накладаються на процес, вибирати доцільні управляючі дії в різних виробничих ситуаціях. Кожен алгоритм, виконуваний ВК, приблизно відповідає тим міркуванням і обчислень, які мав би справити сам оператор. За відсутності обчислювальної машини. Такий алгоритм-інструкція, виражений на формальній мові математичних формул і логічних умов, визначає послідовність дій, кожне з яких відповідає виконанню обчислювальною машиною (або іншими технічними засобами) певної елементарної операції. Такими операціями є додавання, віднімання, логічне додавання, множення та ін.

Послідовність дій не довільна, а реалізує той чи інший метод розв'язання задачі. Цей метод іноді може бути спочатку заданий у вигляді математичної формули, іноді в словесній (описової) формі, іноді у вигляді ланцюжка логічних умов. У всіх випадках він повинен бути сформульований настільки точно і чітко, щоб не залишалося місця для різних тлумачень і двозначностей, щоб завжди після кінцевого числа елементарних операцій був отриманий певний чисельний або логічний (дискретний) результат. Якщо ці умови виконуються, то інструкція по вирішенню задачі, виражена на формальній мові математичних формул і логічних умов, називається алгоритмом розв'язання даної задачі.

Стосовно до АСУ говорять про алгоритми управління. Алгоритм управління - це теж формальна інструкція, в якій йдеться про те, як треба обробити інформацію про керований процес, щоб отримати доцільні керуючі впливи. Алгоритм управління, що відображає загальну мету системи управління, досить складний і може бути розчленований на велике число під-алгоритмів, відповідних окремим задачам (функціям) системи управління. Ці під-алгоритми пов'язані між собою так, що в певних виробничих ситуаціях «працюють» окремі ланки загального алгоритму. Таким чином, безліч окремих алгоритмів функціонує не у фіксованій послідовності (один за іншим) і не хаотично, а вибудовується в різні ланцюжки в залежності від мінливої виробничої ситуації.

Пояснимо це таким прикладом. Нехай одним з елементів технологічної схеми об'єкта (рис. 2.4) є теплообмінник, в якому нагрівається вода, а теплоносієм служить водяна пара. Необхідно стабілізувати, тобто підтримувати на заданому значенні температуру Т води на виході з теплообмінника.

Без застосування ЕОМ таке регулювання може бути виконано стандартним регулятором, у якого температура Т є регульованим параметром, а керуючий вплив подається на виконавчий механізм (регулюючий клапан) K1, що змінює витрата теплоносія. Так як теплообмінник є досить інерційним об'єктом, схильним до впливу різких збурень по витраті води, то зазвичай для досягнення достатньо високої якості регулювання температури Т доводиться використовувати багатоконтурну схему регулювання.

У якості «прикладу розглянемо, як для вирішення такого завдання можна використовувати ЕОМ. Приклад функціональної схеми задачі P1 - «Регулювання температури води на виході з теплообмінника» - показаний також на рис. 2.4. На об'єкті встановлюються датчики, що дозволяють вимірювати температуру води Т на виході з теплообмінника, температуру води T1 на вході в теплообмінник, витрата Q1 води в теплообміннику, витрата (Q2 нагрітої пари і температуру Т2 нагрітої пари, а також виконавчий механізм K1, який регулює витрату пари.

Рис. 2.4. Функціональна схема задачі «Регулювання температури води на виході з теплообмінника».

Функціонально завдання ділиться на три взаємопов'язані частини. Перша частина (Ф1) відповідає регулюванню (стабілізації) витрати (Q2) нагрітої пари по ПІД-закону. Друга частина (Ф2) являє собою математичну модель теплообмінника, користуючись якою можна так змінювати уставку регулятора Ф1, щоб оптимальним був критерій якості регулювання температури T. Третя частина завдання (ФЗ) включає в себе всі ті дії, які дозволяють оператору-технологу в цікавлять його моменти часу візуально контролювати значення параметрів даної ділянки об'єкта та відповідних управляючих впливів. Це здійснюється за допомогою дисплея.

Показана на мал. 2.4 функціональна схема дозволяє зрозуміти задум рішення задачі, тобто підхід до вирішення. Наступним кроком в деталізації його розробки є побудова укрупненої блок-схеми алгоритму (рис. 2.5). Алгоритм розчленований тут на два під алгоритми. Під алгоритм А реалізує ту частину рішення задали, яка повинна виконуватися в безперервному автоматичному режимі, тобто дії, пов'язані з регулюванням, Під алгоритм Б виконується тільки за запитом оператора-технолога. Природно, що обидва під алгоритми взаємопов'язані з використання загальних даних.

Рис. 2.5. Укрупненої блок-схеми алгоритму розв'язання задачі

Алгоритмічна структура розглянутої задачі може бути зображена з різним ступенем деталізації. Зазвичай кожному блоку укрупненої схеми відповідають більш детальні блок-схеми. В якості прикладу на рис. 2.6 показана блок-схема алгоритму одного з блоків укрупненої схеми - блоку «Розрахунок уставки». При подальшій деталізації алгоритму розробляється докладний опис кожного блоку. Воно включає в себе математичні формули, логічні умови їх взаємозв'язків і тимчасові характеристики виконання окремих блоків.

Рис. 2.6. Блок-схема алгоритму А-3

Сукупність матеріалів, що відображають алгоритм вирішення задачі, має дві спрямованості. По-перше, вона фіксує ідейні аспекти: задум і метод розв'язання задачі і, по-друге служить завданням на наступний етап деталізації алгоритму - етап перетворення прийнятої сукупності в комплекс взаємодіючих програм ЕОМ.

2.4. ПРОГРАМНЕ ТА ІНФОРМАЦІЙНЕ ЗАБЕЗПЕЧЕННЯ

Програмне та інформаційне забезпечення входить до складу кожної АСУ ТП з цифровим обчислювальним комплексом. При цьому, якщо математичне забезпечення АСУ ТП фіксує ідейні аспекти організації управління, то програмне та інформаційне забезпечення являє собою конкретну реалізацію комплексу машинних алгоритмів функціонування системи управління. Програмне забезпечення охоплює круг рішень, пов'язаних з розробкою і експлуатацією програм ЕОМ, а інформаційне забезпечення визначає способи і конкретні форми інформаційного відображення стану об'єкта управління як у вигляді даних в ЕОМ, так і у вигляді документів, графіків, сигналів для їх подання фахівцям, які беруть участь в управлінні технологічним процесом.

Виділення інформаційного забезпечення АСУ ТП у вигляді самостійного компонента розробки і експлуатації системи відбулося лише в останні роки, і чітку грань між програмним та інформаційним забезпеченням в даний час провести важко. У значній частині технічної літератури по АСУ термін «програмне забезпечення» застосовують в широкому сенсі, включаючи в нього і поняття «інформаційне забезпечення». У такому ж сенсі використовується термін «програмне забезпечення» і надалі.

Дата добавления: 2015-07-18