ПО систем проектирования АСУ ТП

Особенности проектирования АСУ ТП

АСУ ТП – это автоматизированная, т.е. человеко-машинная система для выработки и реализации управляющих воздействий на технологический объект управления (ТОУ) в соответствии с принятыми критериями управления.

При этом под ТОУ понимают совокупность технологического оборудования и реализованного на нем по соответствующим инструкциям и регламентам ТП.

Основные проблемы при проектировании АСУ ТП:

1. Процесс проектирования в значительной мере зависит как от требований ТЗ на объект проектирования, так и от уровня формализации (мат. описания) описания ТП, на который ориентирована система управления (компьютер и сам объект). Особенности самих ХТП столь разнообразны, что их формализация затруднена и вызывает существенные сложности при выборе метода управления.

2. Большое количество и разнородность функциональных задач, требующих в процессе функционирования АСУТП достаточно сложной организации их выполнения на приоритетной основе и согласования временных ресурсов и ресурсов средств вычислительной техники в реальном масштабе времени. Выбор эффективного метода описания сложной взаимозависимости выполнения функциональных задач проектируемых систем управления является необходимым условием их проектирования.

3. При «сквозном» формализованном методе проектирования АСУ ТП необходимо учитывать неоднозначность в выборе и проектировании весьма отличных, но органически связанных между собой подсистем технического и программного обеспечения. Выбор структуры и составляющих компонент этих подсистем определяется многими факторами, которых не поддаются зачастую детерминированному учету и требуют принятия решения в процессе проектирования системы управления, что вызывает необходимость создания банков данных проектных решений на основе формализованного выбора структуры и параметров проектируемой системы на рассматриваемом этапе.

4. Учитывая большую стоимость физической реализации и проверки в реальных условиях работоспособности и эффективности проектируемой СУ, большое значение имеет возможность проведения машинного эксперимента с целью определения основных характеристик разрабатываемой системы. Создание приемлемых имитационных моделей таких систем в значительной степени усложняется необходимостью построения как моделей ОУ, так и моделей подсистем управления, а также всей СУ в целом. Причем эти модели должны быть лингвистически связаны.

Технологический процесс как ОУ

Любой ТП можно представить в виде системы, на вход которой поступают материальные, энергетические или информационный потоки, а на выходе формируются материальный, энергетический или информационный поток, создаваемые системой.

При этом можно выделить основные структуры:

1. Параллельная структура, когда все аппараты работают параллельно независимо друг от друга, вырабатывая однотипный продукт.

2. Последовательная схема, в которой аппараты включены последовательно и выходной поток предыдущего аппарата является входным для следующего.

3. Комбинированная, когда часть аппаратов химической технологии включена последовательно, часть параллельно.

4. С рециклом, в которой выходной поток или его часть его снова подается на вход системы.

5. Прямоточно-противоточные схемы, когда потоки одних веществ проходят последовательно в аппаратах в одном направлении, а других веществ в обратном.

При анализе ТП, представленного любой из перечисленных принято выделять 3 типа переменных:

1. выходные переменные, определяющие состояние ТП или качество получаемой продукции

2. управляющие воздействия, с помощью которых можно влиять на протекание ТП

3. возмущения (контролируемые и неконтролируемые)

Особенности и основные свойства ТП, которые необходимо учитывать при построении СУ

1. Наличие большого числа технологических параметров. При этом при укрупнении ОУ растет количество технологических параметров. (размерность)

2. Несмотря на большую размерность ТП как ОУ, в большинстве случаев их можно разделить на множество отдельных ОУ малой размерности благодаря наличию физических и технологических развязок.

3. Возможность выделения в технологических процессах небольшого числа типовых процессов, в которых характерно наличие одной - двух регулируемых переменных. Различают механические, гидродинамические и т.д. типы технологических процессов.

4. Технологический процесс как ОУ обладает существенными динамическими свойствами. Это проявляется в том, что выходные переменные в данный момент времени зависят не только от текущих, но и от предыдущих входных воздействий. При этом постоянная времени эквивалентных динамических звеньев для различных процессов могут составлять от нескольких секунд до десятков часов.

5. Неконтролируемость ряда переменных процесса из-за отсутствия соответствующих средств измерения и преобразования сигнала. Такие процессы относятся к классу объектов с редко измеряемым выходом или неполной наблюдаемостью. Контроль за выходными параметрами в таких случаях зачастую осуществляется с помощью проведения лабораторных анализов. Значительное время анализа не позволяет использовать результаты контроля для оперативного управления процессом. Многие измерительные приборы также не обладают возможностью непрерывного измерения и выдают информацию в дискретные моменты времени с существенной задержкой по отношению к моменту измерения.

6. Высокий уровень помех при изменении некоторых переменных процесса связан с несовершенством существующих измерительных преобразователей. Эта особенность предполагает применение статистических методов обработки информации и фильтрацию данных.

7. Нелинейных характер взаимосвязи между входными и выходными параметрами при изменении переменных в пределах допустимых регламентов.

8. Нестационарность статических и динамических характеристик процесса.

Цели создания АСУ ТП

При усложнении ТП появилась новая профессия оператор, функции которого входили задачи оценки поступающей от измерительных приборов информации, анализа, осмысления её, принятия решений и дистанционного управления технологическим процессом. При небольшом количестве технологических параметров такая схема оправдывает себя, однако при усложнении ТП оператору приходится вручную решать задачи многосвязного регулирования, управляя одновременно множеством различных параметров и показателей, которые зачастую «конфликтуют» друг с другом и требуют определенного компромисса при выработке управляющих воздействий. В этом случае поддерживать ТП в оптимальном режиме довольно сложно. Такая ситуация и потребовала применения автоматизированных СУ, основанных на использовании средств вычислительной техники и математических методов обработки информации.

В каждом конкретном случае цели создания АСУ ТП могут быть весьма различными. Однако все они могут быть сведены к двум группам:

1. Обеспечение возможности функционирования ТП
2. Улучшение показателей функционирования ТП

В первом случае АСУ ТП должна обеспечивать работоспособность ТП, т.е. обеспечивать удовлетворение основных технологических требований.

Во втором случае требуется обеспечить не просто функционирование ОУ, а достижение им высоких технико-экономических показателей, т.е. ведение ТП в оптимальном режиме. Критерием оптимальности могут быть экономические показатели или качественные показатели.

С начала применения вычислительной техники для управления ТП качество и возможности СУ стали определяться не столько технической реализацией системы, сколько алгоритмами и соответствующими им программами, реализованными на этой вычислительной системе.

Основные режимы работы вычислительной техники в АСУ ТП

1. Информационный режим. В управляющую машину вводится информация. В вычислительную машину вводится информация о состоянии объекта, в том числе значения регулируемых (на выходе) и управляемых величин (которыми управляем). Данные об объекте, полученные с помощью ВК (вычислительных комплексов) выводятся на централизованные средства отображения информации, используются для расчета обобщенных показателей качества функционирования ОУ и могут передаваться в вышестоящую систему управления для дальнейшей обработки или выводятся на внешние носители для сохранения. Оператор управляет процессом с центрального пульта управления, используя информацию, выдаваемую машиной и показания вторичных приборов. Следует заметить, что разработка АСУ ТП не ставит конечной целью выполняющей чисто информационные функции, хотя многие реально существующие САУ решают только задачи сбора и обработки информации. Это объясняется или большими трудностями в создании замкнутой САУ, или же большими материальными затратами.

2. Режим пассивного советчика. Структура на рисунке. ОУ – объект управления, ПКиУ – пульт контроля и управления, УВК – управляющий вычислительный комплекс, УВ – управляющие воздействия, И – информация. В режиме пассивного советчика кроме информационных функций на ВК возлагаются задачи анализа поступающей информации и выработки оптимальных решений с выдачей оператору рекомендаций по управлению. Рекомендации могут выдаваться периодически, по требованию оператора или при изменении условий функционирования ОУ. Окончательный вывод и осуществление УВ остаются за оператором. Недостатком подобного класса САУ является присутствие человека в контуре управления. В то же время такие САУ являются первым шагом к созданию системы без участия человека в контуре управления. При работе АСУ ТП в режиме советчика можно осуществить проверку и доработку алгоритмов управления и уточнение используемых математических моделей.

3. Режим активного советчика. Концепция активного советчика чаще всего используется в случае, когда необходимо дополнительно исследовать СУ и ОУ. Структура. Есть 2 контура управления 1 – натурный. ОУ, АВС – алгоритм выработки совета. 2 – модельный, МСУ – модель СУ, модель объекта. Относится к классу двухканальных активных систем. 1 контур включает оператора, 2-й – имитационную МОУ модель объекта управления и МСУ модель системы управления. Идеология: на основании алгоритмов оптимизации, моделирования вырабатываются советы, какие воздействия необходимо передать на объект. Uр – реальные воздействия. При этом рекомендованное и реальное воздействия могут не совпадать. При этом на 2-ом канале управления просчитывается результат работы СУ и соответствующие выходные параметры, если бы оператор выдал модельное воздействие.

4. Режим супервизорного управления. Основная особенность супервизорного режима работы АСУТП - это автоматическое управление локальными регуляторами с помощью УВК. При этом значения уставок вычисляются таким образом, чтобы обеспечить оптимальное протекание технологического процесса. В таких системах контур управления замкнут через вычислительную машину и функции оператора сводятся к общему наблюдению за ходом процесса. Вмешательство человека требуется лишь при возникновении каких-то редких нестандартных ситуаций. Сохраняется так же возможность вносить коррекцию в управление процессом при изменениях, например, сырья или состава/качества вырабатываемой продукции. Из схемы видно, что замкнутая СУ с помощью локальных регуляторов будет функционировать и в том случае, если управляющий комплекс выйдет из строя. Значения уставок для регуляторов будут зафиксированы и равны последним значениям, рассчитанным на УВК, и в дальнейшем в случае отказа вычислительной техники эти уставки могут изменяться оператором вручную. Применение локальных регуляторов (чаще всего аналоговых) и вычислительных машин (ВМ) в одной СУ усложняет эту системы и увеличивает её стоимость. В принципе функции регулирования можно реализовывать в виде алгоритмов на ВМ и это гораздо дешевле. Однако в этом случае СУ теряют свою живучесть.

5. Режим непосредственного цифрового управления НЦУ. В таких АСУТП сигналы, используемые для приведения в действие исполнительных механизмов, поступают непосредственно от УВК и соответствующие локальные регуляторы в СУ отсутствуют. УВК в этом режиме программно реализует выбранный закон регулирования, рассчитывает управляющие воздействия и обеспечивает передачу их исполнительным механизмам регулирующих органов. Функции оператора заключаются в контроле за работой системы. Кроме того, оператор должен иметь возможность изменять параметры настройки СУ. В частности, изменять при необходимости значения уставок и диапазоны их изменения. Режим НЦУ может быть организован на различном функциональном уровне. Например, ВК может использоваться для регулирования параметров с использованием заданных законов регулирввания, причем значение уставки задается оператором. В другом случае в УВК значения уставок рассчитываются из условий оптимального протекания ТП. И в первом, и во втором случае СУ относится к классу НЦУ, т.е. ВК непосредственно связан с объектом управления (ОУ). Отсутствуют локальные регуляторы, однако, возможности системы с оптимизацией гораздо шире.

Таким образом, в СУ сложными ТП ВК может работать одновременно в нескольких режимах. Для одних параметров выполняются только информационные функции. Для других – супервизорный режим и для третьих – режим НЦУ. Обычно при разработке АСУТП управляющие функции реализуются и внедряются последовательно, начиная с режима пассивного советчика оператору и кончая НЦУ.