1. Структура системы управления Управление — целенаправленный перевод системы из одного состояния в другое желаемое. Система управления — совокупность взаимодействующих компонентов: объекта управления и управляющих частей. Структура — совокупность элементов и их связей. Рис. 1.1. Простейшая структура системы управления Простейшая структура приведена на рис. 1.1. Структура системы управления может быть многоуровневой (структурой подчинения). Объект управления (ОУ) — динамическая система любой природы, преобразующая ресурсы в продукты и находящаяся под действием управляющих и возмущающих воздействий. Возмущающее воздействие — воздействие, выводящее систему в нежелательное состояние. Решение (управляющее воздействие, управление) — воздействие, выбранное из множества возможных на основе поставленной цели и принятого критерия. Критерий — оценка вариантов решений. Цель — состояние, к которому стремится система. Управляющая часть (УЧ) — часть системы, вырабатывающая решения и передающая их на объект управления. Среда — метасистема, в которую рассматриваемая система управления входит составной частью. Функционирование системы — работа системы в рамках заданной структуры. Развитие системы — работа системы в условии острых противоречий, которые могут вызвать изменение структуры. Система управления (СУ) – совокупность управляющего устройства (УУ) и объекта управления (ОУ). УУ ОУ СУ Рис. 3.1. Функциональная схема системы управления. Состояние объекта определяется рядом величин, характеризующих как воздействие на объект внешней среды и управляющих устройств, так и протекание процессов внутри самого объекта. 2. Объект управления. Виды используемых объектом ресурсов. Технологический объект управления – это совокупность технологического оборудования и реализованного на нём по соответствующим инструкциям или регламентам технологического процесса производства. К критериям оптимальности (эффективности) функционирования технологических объектов кроме обычно решаемой задачи достижения наибольшего экономического эффекта относятся также всегда актуальные проблемы охраны здоровья работающих и сохранения окружающей среды. Объект управления (ОУ) — динамическая система любой природы, преобразующая ресурсы в продукты и находящаяся под действием управляющих и возмущающих воздействий. Рис. 1.2. Укрупненная схема объекта управления Рассмотрим подробнее объект управления (рис. 1.2) как систему преобразования ресурсов в продукты. Объект управления использует следующие виды общих ресурсов: материальные, трудовые, финансовые, оборудование. При более подробном рассмотрении процессов в управляющей части возможно получить совокупность этапов (рис. 1.3). Эта схема пригодна для ручного, автоматического и автоматизированного управления. Рис. 1.3. Цикл управления 3. Этапы цикла управления. Рис. 1.2. Укрупненная схема объекта управления Объект управления (ОУ) — динамическая система любой природы, преобразующая ресурсы в продукты и находящаяся под действием управляющих и возмущающих воздействий. Рассмотрим подробнее объект управления (рис. 1.2) как систему преобразования ресурсов в продукты. Объект управления использует следующие виды общих ресурсов: материальные, трудовые, финансовые, оборудование. При более подробном рассмотрении процессов в управляющей части возможно получить совокупность этапов (рис. 1.3). Эта схема пригодна для ручного, автоматического и автоматизированного управления. Рис. 1.3. Цикл управления 4. Определение управления. АСУ. Системы автоматического и автоматизированного Автоматизированная система управления (АСУ) [automated, automatized control system (ACS), computerized control system, management information system (MIS)] — система управления, в которой применяются современные электронные средства обработки данных и экономикоматематические методы для решения основных задач управления производственно-хозяйственной деятельностью. Это человеко-машинная система: в ней ряд операций и действий передается для исполнения машинам и другим устройствам (особенно это относится к т. н. рутинным, повторяющимся, стандартным операциям и расчетам), но главное решение всегда остается за человеком. Этим АСУ отличаются от автоматических систем, т. е. таких технических устройств, которые действуют самостоятельно по установленной для них программе, без вмешательства человека. ГОСТ 34.003—90 дает такое понятие автоматизированной системы управления (АСУ): «АСУ — система «человек — машина», обеспечивающая эффективное функционирование объекта, в которой сбор и обработка информации, необходимой для реализации функций управления, осуществляются с применением средств автоматизации и вычислительной техники». Выделяют следующие виды автоматизированных систем: АСУТП — АСУ технологическими процессами; АСОУ — автоматизированные системы организационного управления; ИАСУ — интегрированные АСУ; ОАСУ — отраслевые АСУ; АСУП — АСУ предприятия; АСУО — АСУ объединения; ИПС — информационно-поисковые системы; ИСС — информационно-советующие системы; ИУС — информационно-управляющие системы. Системы автоматического управления, работающие без участия человека. В основе автоматического управления лежит управление отдельными объектами на базе заданных алгоритмов, реализуемое техническими средствами. Используется три принципа управления: разомкнутое, замкнутое (обратная связь), компенсация возмущений. Основные направления: автоматическое регулирование (стабилизация), программное управление, следящие системы, экстремальное регулирование, поисковые системы, оптимальное управление, самонастраивающиеся системы. Однако внедрение автоматических систем управления не позволило исключить человека из контура управления, что послужило созданию автоматизированного управления, отличительными чертами которого являются автоматизация комплексов процессов или объектов, включение человека в контур управления, информационный и вероятностный подход к процессу управления, использование ЭВМ как основного технического средства, реализующего функции управления. Схема, приведенная на рис. 1.3, позволяет точнее определить понятие «автоматизированная система» как систему, в которой хотя бы на одном этапе цикла управления используются компьютеры и технические средства. Термин «автоматизированный» в отличие от термина «автоматический» подчеркивает возможность участия человека в отдельных операциях, как в целях сохранения человеческого контроля над процессом, так и в связи со сложностью или нецелесообразностью автоматизации отдельных операций. 5. Структура и режим работы информационно – поисковой АСУ. ГОСТ 34.003—90 дает такое понятие автоматизированной системы управления (АСУ): «АСУ — система «человек — машина», обеспечивающая эффективное функционирование объекта, в которой сбор и обработка информации, необходимой для реализации функций управления, осуществляются с применением средств автоматизации и вычислительной техники». Рис. 1.4. Информационно-поисковая система Объект управления (ОУ) — динамическая система любой природы, преобразующая ресурсы в продукты и находящаяся под действием управляющих и возмущающих воздействий. ЛПР - лицо, принимающие решения. ИПС предназначены для записи и длительного хранения информации, которая считывается по запросу. Такая система может быть самостоятельной (библиотеки) или входить составной частью в АСУП. База данных является основой таких систем. В ней может быть отражена как структурированная (в виде таблиц), так и неструктурированная (текстовая) информация. В последнем случае это системы компьютеров офисов, учреждений, получившие широкие возможности благодаря электронной почте. 6. Структура и режим работы информационно-советующей АСУ. ГОСТ 34.003—90 дает такое понятие автоматизированной системы управления (АСУ): «АСУ — система «человек — машина», обеспечивающая эффективное функционирование объекта, в которой сбор и обработка информации, необходимой для реализации функций управления, осуществляются с применением средств автоматизации и вычислительной техники». Рис. 1.5. Информационно-советующая система Объект управления (ОУ) — динамическая система любой природы, преобразующая ресурсы в продукты и находящаяся под действием управляющих и возмущающих воздействий. ЛПР - лицо, принимающие решения. ИСС вырабатывают для ЛПР соответствующие решения-советы в логической, числовой или символьной форме, при этом окончательное решение остается за человеком. В ИСС широко используют диалоговый режим. 7. Классификация АСУ по различным признакам и их характеристики. АСУ — понятие многогранное и потому имеет большое число признаков классификации. Из них рассмотрим три основные (рис. 4.). Выделяют следующие виды автоматизированных систем: АСУТП — АСУ технологическими процессами; АСОУ — автоматизированные системы организационного управления; ИАСУ — интегрированные АСУ; ОАСУ — отраслевые АСУ; АСУП — АСУ предприятия; АСУО — АСУ объединения; ИПС — информационно-поисковые системы; ИСС — информационно-советующие системы; ИУС — информационно-управляющие системы. Рис. 4. Классификация АСУ 1. По объекту управления. Анализируя первый признак классификации, следует отметить, что объектом управления в АСУТП являются машины или системы машин, а в АСОУ (АСУ на уровне цеха, предприятия и выше) — люди. В АСУТП информация передается сигналами, а в АСОУ — с помощью документов. В последнее время появился новый класс систем — ИАСУ, объединяющий в одну систему АСУТП и АСОУ. Среди них выделяют ИАСУ с гибкими автоматизированными заводами, для которых известны три основные рассмотренные далее концепции: ГАЗ (СССР), ESPRIT (ЕС) и ICAM (США). ИАСУ с гибкими автоматизированными заводами за рубежом называют компьютерными интегрированными производствами (Computer Integrated Manufacturing CIM). 2. По иерархии управления. Иерархия управления отражена во втором классификационном признаке (см. рис. 4). В дальнейшем будем рассматривать АСУП, т. е. АСУ, предназначенную для управления предприятием. 3. По уровню оптимизации. АСУ существенно отличаются по уровню автоматизации. ИПС предназначены для записи и длительного хранения информации, которая считывается по запросу. Такая система может быть самостоятельной (библиотеки) или входить составной частью в АСУП. База данных является основой таких систем. В ней может быть отражена как структурированная (в виде таблиц), так и неструктурированная (текстовая) информация. В последнем случае это системы компьютеров офисов, учреждений, получившие широкие возможности благодаря электронной почте. ИСС вырабатывают для ЛПР соответствующие решения-советы в логической, числовой или символьной форме, при этом окончательное решение остается за человеком. В ИСС широко используют диалоговый режим. 8. Характерные признаки АСУ ТП ГОСТ 34.003—90 дает такое понятие автоматизированной системы управления (АСУ): «АСУ — система «человек — машина», обеспечивающая эффективное функционирование объекта, в которой сбор и обработка информации, необходимой для реализации функций управления, осуществляются с применением средств автоматизации и вычислительной техники». Выделяют следующие виды автоматизированных систем: АСУТП — АСУ технологическими процессами; АСОУ — автоматизированные системы организационного управления; ИАСУ — интегрированные АСУ; ОАСУ — отраслевые АСУ; АСУП — АСУ предприятия; АСУО — АСУ объединения; ИПС — информационно-поисковые системы; ИСС — информационно-советующие системы; ИУС — информационно-управляющие системы. В силу значительного разнообразия АСУ их целесообразно классифицировать. АСУ — понятие многогранное и потому имеет большое число признаков классификации. Из них рассмотрим три основные (рис. 1.8). Анализируя первый признак классификации, следует отметить, что объектом управления в АСУТП являются машины или системы машин, а в АСОУ (АСУ на уровне цеха, предприятия и выше) — люди. В АСУТП информация передается сигналами, а в АСОУ — с помощью документов. Автоматизированная система управления технологическим процессом (АСУТП) — комплекс программных и технических средств, предназначенный для автоматизации управления технологическим оборудованием на предприятиях. Может иметь связь с более глобальной Автоматизированной системой управления предприятием (АСУП). Под АСУТП обычно понимается комплексное решение, обеспечивающее автоматизацию основных технологических операций технологического процесса на производстве, в целом или каком-то его участке, выпускающем относительно завершенный продукт. Термин «автоматизированный» в отличие от термина «автоматический» подчеркивает возможность участия человека в отдельных операциях, как в целях сохранения человеческого контроля над процессом, так и в связи со сложностью или нецелесообразностью автоматизации отдельных операций. Составными частями АСУТП могут быть отдельные системы автоматического управления (САУ) и автоматизированные устройства, связанные в единый комплекс. Как правило АСУТП имеет единую систему операторского управления технологическим процессом в виде одного или нескольких пультов управления, средства обработки и архивирования информации о ходе процесса, типовые элементы автоматики: датчики, контроллеры, исполнительные устройства. Для информационной связи всех подсистем используются промышленные сети. 9. Техническая структура АСУ ТП с управляющей ЭВМ (УВМ). Рис. 1.7. Техническая структура АСУ ТП с управляющей ЭВМ, работающей в супервизорном режиме Техническая структура АСУ ТП с управляющей ЭВМ, работающей в супервизорном режиме, приведена на рис. 1.7. Схема включает в себя следующие элементы: ОБ — управляемый объект; 1 — первичные измерительные приборы; 2 — исполнительные механизмы; 3 — подсистему дистанционного управления; 4 — подсистему логического управления; 5 — подсистему автоматического управления и регулирования; 6 — пульт оператора; 7 — индивидуальные вторичные измерительные приборы; 8 — устройства отображения информации, получаемой от ЭВМ; 9 — вычислительный комплекс (ЭВМ); 10 — человека-оператора; 11 — вышестоящую АСУ, с которой рассматриваемая АСУ ТП обменивается информацией. Для возможности вмешательства оператора в ход технологического процесса все управляющие органы (а не только те, которые находятся в составе автоматической системы) снабжаются дистанционно управляемыми с пульта оператора серводвигателями; естественно, что оператор имеет возможность переводить на дистанционное управление также и любой серводвигатель, нормально управляемый регулятором или логическим контроллером. Подключение дистанционного управления к любому серводвигателю осуществляется также посредством соответствующего вызывного устройства. 10. Общая характеристика и классификация основных узлов УВМ. На рис. 5.1 показана структурная схема АСУ ТП, базирующаяся на УВМ с исполнительными устройствами в виде АСУ ЭП и датчиками, установленными на технологическом оборудовании. УВМ включает в себя следующие элементы (блоки): 1)блок запоминающий сведения об объекте и текущие задания, поступающие во внешнюю память с пульта управления; 2)блок сбора и преобразования информации о текущем состоянии объекта и действующих возмущениях; 3) блок центральный — процессор, выполняющий заданные алгоритмом преобразования информации для выработки управляющего воздействия, организующий взаимодействие всех элементов УВМ, и состоящий из арифметического, логического, управляющего и оперативного запоминающего устройств (ОЗУ); 4)блок прямых связей с объектом управления, передающих управляющие воздействия. УВМ имеют ряд вспомогательных элементов, необходимых для организации процесса управления. К ним относятся средства связи человека с машиной, предназначенные для получения оперативным персоналом информации о ходе технологического процесса, коррекции алгоритма управления и принятия необходимых мер в аварийных ситуациях и средства ввода—вывода информации, включающие различные регистрирующие, индицирующие и запоминающие устройства (перфоленточные, перфокарточные и строкопечатающие, записи на кассеты и гибкие диски), экранные пульты — дисплеи, пишущие машинки, графопостроители. На вход УВМ от датчиков поступает текущая информация, в основном аналогового вида (напряжение, ток, частота, угол поворота и т.п.). Так как УВМ оперирует с дискретными величинами, то аналоговые сигналы датчиков необходимо преобразовывать в дискретную форму при помощи аналого-цифровых преобразователей. Однако для управления исполнительными механизмами (управляющими органами) в большинстве случаев необходимы непрерывные сигналы, а УВМ вырабатывает управляющие сигналы в дискретной форме, поэтому необходимо осуществлять их цифро-аналоговое преобразование. Для уменьшения объема оборудования и стоимости аналого-цифровые (АЦП) и цифроаналоговые (ЦАП) преобразователи производятся одноканальными, а для поочередного подключения сигналов от каждого датчика к общему АЦП используются коммутаторы.- Рис. 5.1. Структура автоматизированного технологического комплекса 11.Принципы организации управления. связи УВМ с технологическим объектом В составе АСУ ТП возможны различные принципы построения связи УВМ с объектом управления: синхронный, асинхронный и комбинированный. 1) Синхронный принцип При синхронном принципе связи процесс управления разбивается на циклы равной длительности при помощи тактовых импульсов, выдаваемых таймерами. В каждом цикле, начинающемся с приходом тактового импульса на устройство управления, происходят последовательный опрос и преобразование сигналов датчиков в цифровую форму. Эти операции и запоминание преобразованных величин в УВМ должны происходить за интервал времени, в течение которого контролируемые параметры технологического процесса могут измениться лишь в допустимых пределах. После поступления очередной партии текущей информации к УВМ и ее запоминания происходит расчет новых значений управляющих воздействий и после их преобразования—передача к исполнительным органам. Закончив расчет управляющих воздействий, УВМ прерывает вычисления до прихода тактового импульса. 2) Асинхронный принцип Для того чтобы АСУ ТП имела возможность реагировать на события, вызванные отклонением хода технологического процесса от заданного, или аварийные ситуации, используется асинхронный принцип связи УВМ с объектом управления. Такая возможность обеспечивается введением функции прерывания. УВМ реагирует на импульсы прерывания с учетом приоритетного уровня одних сигналов прерывания перед другими. Необходимость ранжирования уровней приоритета вызвана тем, что одни события могут быть более важными, чем другие. Задаче с более высоким приоритетом разрешается останавливать обработку задачи, имеющей приоритет низшего ранга. После завершения обслуживания высокоприоритетного прерывания система возвращается к выполнению прерванной программы. 3) Комбинированный принцип Возможно применение комбинированного принципа связи УВМ с объектом, при котором наряду с тактовыми импульсами таймера используются сигналы прерывания от датчиков, фиксирующих аварийную ситуацию на объекте. Они переводят УВМ на работу по программе для аварийного режима. 12. Основные режимы работы УВМ в составе АСУ ТП. Функции АСУ ТП, а следовательно, и УВМ подразделяются на информационные и управляющие. Для выполнения информационных функций УВМ работает в режимах сбора данных и советчика. Информационные функции АСУ ТП заключаются в централизованном контроле за состоянием объекта управления и вычислительных и логических операциях информационного характера, выполняемых УВМ в режиме сбора данных. К функциям централизованного контроля относятся: непрерывное, периодическое или по вызову измерение; оперативное отображение и регистрация значений технологических параметров и показателей состояния технологического оборудования; обнаружение, регистрация и сигнализация отклонения технологических параметров и показателей состояния оборудования от установленных пределов, в том числе и сигнализация о срабатывании блокировок и защит; оперативное отображение и регистрация результатов математических и логических операций, выполняемых УВМ и в общем случае — комплексом технических средств; 1) Режим работы УВМ по сбору данных является наиболее простым. Технологический процесс в этом режиме управляется оперативным персоналом, который изучает процесс при различных условиях работы для построения его математической модели. Такой режим может быть вспомогательным при эксплуатации АСУ ТП, обеспечивая уточнение (коррекцию) математической модели объекта и алгоритма управления. Функциональная схема УВМ в режиме сбора данных отличается от приведенной на рис. 5 тем, что из нее исключено устройство прямой связи с объектом, а на выходе процессора установлены средства фиксации результатов. В этом месте между процессором и технологическим объектом управления действует оперативный персонал. 2) Режим работы УВМ в АСУ ТП в качестве советчика является более сложным по сравнению с описанным выше. Он возможен на начальной стадии внедрения АСУ ТП и позволяет проверить достоверность принятой модели процесса и алгоритма управления. Опытный оператор, управляя процессом и следя за рекомендациями УВМ, может обнаружить неправильную комбинацию рекомендуемых для вспомогательных органов уставок, вызванных неточностью модели процесса или алгоритма управления, и устранить ее. Число контролируемых параметров процесса в режиме работы УВМ в качестве советчика оперативного персонала измеряется десятками и даже сотнями. Так как оператору самому приходится изменять уставки, число управляемых параметров, для которых производятся вычисления, сравнительно невелико. Поскольку возможности человека ограничены количеством изменяемых уставок в единицу времени, а также в связи с увеличением вероятности ошибки при работе в высоком темпе участие человека в процессе управления является весьма серьезным недостатком режима работы УВМ в качестве советчика. В режиме советчика к функциям вычислительных и логических операций, помимо операций, присущих централизованному контролю, относятся: диагностика протекания и прогнозирования хода технологического процесса и состояния оборудования; подготовка информации для оперативного персонала и выполнение процедур обмена информацией со смежными и вышестоящими АСУ ТП. Рис. 5. Структура автоматизированного технологического комплекса Управляющие функции УВМ в АСУ ТП сводятся к определению рационального режима ведения технологического процесса; формированию и передаче на входы исполнительных устройств управляющих воздействий, обеспечивающих реализацию выбранного режима. Эти функции позволяют реализовать следующий по сложности режим комбинированного (супервизорного) управления, при котором УВМ используется в замкнутом контуре (рис. 5.1) и уставки регуляторам управляющих органов задаются непосредственно машиной. Основное преимущество этого режима по сравнению с режимом советчика состоит в возможности обеспечения оптимального протекания технологического процесса путем оперативного воздействия на него. В данном режиме рассчитанные значения уставок передаются от процессора регуляторам управляющих органов посредством устройств связи с объектом. В этом режиме оперативный персонал работает вне контура управления и роль его состоит во вводе в систему алгоритма работы, контроле за работой АСУ ТП; в аварийных ситуациях, при отказе УВМ оператор принимает на себя управление технологическим объектом. При изменениях вида или формы исходных материалов либо конечного продукта могут потребоваться новые уравнения или новые значения коэффициентов уравнений, входящих в алгоритм управления; эти расчеты производятся УВМ следующего, более высокого уровня иерархии либо УВМ данного уровня, если остается достаточное количество машинного времени от реализации алгоритма управления. В последнем случае УВМ работает в режиме разделения времени между решением задач управления и вычислениями по оптимизации процесса управления. Возможна разновидность использования УВМ в замкнутом контуре управления, при котором сигналы к исполнительным органам поступают непосредственно от процессора через устройство связи. Такой режим называется режимом непосредственного (прямого) цифрового управления. При непосредственном цифровом управлении УВМ рассчитывает не уставки регуляторов, как при комбинированном управлении, а реальные воздействия и передает их непосредственно исполнительным органам. Одним из главных преимуществ режима непосредственного цифрового управления является его гибкость, заключающаяся в возможности перехода к другим алгоритмам управления для отдельных контуров путем внесения изменений в программу УВМ.
