Автоматизированные системы управления технологическими процессами

Оглавление Тема 1. Автоматизированные системы управления технологическими процессами 3 Тема 2. Задачи и цели автоматизации научных исследований 5 Тема 3. Концепции, цели и задачи систем автоматизации предприятий 6 Тема 4. ЭВМ как основное техническое средство АСУ 9 Тема 5. Специализированные вычислительные устройства и системы в АСУП 11 Тема 1. Автоматизированные системы управления технологическими процессами При построении средств современной промышленной автоматики (обычно в виде АСУ ТП) используется иерархическая информационная структура с применением на разных уровнях вычислительных средств различной мощности. Примерная общая современная структура АСУ ТП показана на рисунке 1.1. Рисунок 1.1 - Типовая функциональная схема современной АСУ ТП. В настоящее АСУ ТП обычно реализуются по схемам: 1. Одноуровневой (локальная система), содержащей ПЛК, или моноблочный настраиваемый контроллер (МНК) обеспечивающие индикацию и сигнализацию состояния контролируемого или регулируемого ТП на передней панели, 2. Двухуровневой (централизованная система), включающих: 1. на нижнем уровне несколько ПЛК с подключенными к ним датчиками и исполнительными устройствами, 2. на верхнем уровне – одна (возможно несколько) операторских (рабочих) станций (автоматизированных рабочих мест (АРМ) оператора). Обычно рабочая станция или АРМ - это ЭВМ в специальном промышленном исполнении, со специальным программным обеспечением, – системой сбора и визуализации данных (SCADA-системы). АСУТП предназначена для выработки к реализации управляющих воздействий на технологический объект управления. Технологический объект управления (АСУТП) представляет собой совокупность технологического оборудования и реализованного на нем по соответствующим инструкциям или регламентам технологического процесса производства продуктов, полупродуктов, изделий или энергии, К технологическим объектам управления относятся: • технологические агрегаты и установки (группы станков), реализующие самостоятельный технологический процесс; • отдельные производства (цехи, участки), если управление этим производством носит, в основном, технологический характер, то есть заключается в реализации рациональных режимов работы взаимосвязанного технологического оборудования (агрегатов, участков). Совместно функционирующие ТОУ и управляющая ими АСУТП образуют автоматизированный технологический комплекс (АТК). При создании АСУТП должны быть определены конкретные цели функционирования системы и ее назначение в общей структуре управления предприятия. Примерами таких целей могут служить: • экономия топлива, сырья, материалов и других производственных ресурсов; • обеспечение безопасности функционирования объекта; • повышение качества выходного продукта или обеспечение заданных значений параметров выходных продуктов (изделия); • снижение затрат живого труда; • достижение оптимальной загрузки (использования) оборудо­вания; • оптимизация режимов работы технологического оборудования (в том числе маршрутов обработки в дискретных производствах) и т.д. Достижение поставленных целей осуществляется системой посредством выполнения совокупности ее функций. Тема 2. Задачи и цели автоматизации научных исследований Автоматизированные системы научных исследований (АСНИ) представляют собой программно-аппаратные комплексы, обрабатывающие данные, поступающие от различного рода экспериментальных установок и измерительных приборов, и на основе их анализа облегчающие обнаружение новых эффектов и закономерностей (рисунок 2.1). Блок связи с измерительной аппаратурой преобразует к нужному виду информацию, поступающую от измерительной аппаратуры. В базе данных хранится информация, поступившая из блока связи с измерительной аппаратурой, а также заранее введенная с целью обеспечения работоспособности системы. Расчетный блок, выполняя программы из пакета прикладных программ, производит все математические расчеты, в которых может возникнуть потребность в ходе научных исследований. Расчеты могут выполняться как по требованию исследователя, так и блока имитационного моделирования. При этом на основе математических моделей воспроизводится процесс, происходящий во внешней среде. Экспертная система моделирует рассуждения специалистов данной предметной области. С ее помощью исследователь может классифицировать наблюдаемые явления, диагностировать течение следуемых процессов. Рисунок 2.1 - Типовая структура АСНИ АСНИ получили широкое распространение в молекулярной химии, минералогии, биохимии, физике элементарных частиц и многих других науках. Тема 3. Концепции, цели и задачи систем автоматизации предприятий Многие крупные компании расширяются и наращивают объемы производства. В этом им активно помогает автоматизация технологических процессов и робототехника, которые все чаще используются не только на гигантских фабриках/заводах, но и на более мелких предприятиях. Это позволяет значительно увеличить скорость разработки и изготовления продукции. Чем выше уровень автоматизации – тем выше уровень производства. Так какие же ключевые технологии будут стоять во главе систем автоматизации и робототехники? Можно выделить четыре основных параметра – модульность, гибкость, программируемость, связанность. Первая тенденция, которая изобретена относительно недавно и постоянно совершенствуется – модульность. Дорогие специализированные машины имеют высокую стоимость и поэтому они изготавливаются на заказ, имея при этом довольно сложные и многофункциональные системы управления. Именно здесь модульность позволяет снизить расходы, позволяя выбрать только то оборудование, которое необходимо для нормальной функциональности механизма. По мере развития систем автоматизации и внесению изменений в функционал, небольшие компоненты могут заменяться в целях повышения экономической эффективности и интеграции новых технологий. В то время как модульность более применима к физическим устройствам, гибкость больше относится к программному обеспечению. Современное оборудование автоматизированных систем требует все больше и больше программного обеспечения. Гибкость часто используется для быстроты и простоты смены программного обеспечения за счет использования нескольких языков, источников открытого исходного кода, а также для обеспечения связи с любым программным продуктом, использующимся в оборудовании. Третий компонент программируемость. После установки аппаратного оборудования, пусть даже модульного, его замена – процесс куда более сложный, чем программного обеспечения. Можно смело утверждать, что с момента создания программируемого логического контроллера ПЛК началось движение в сторону программно-управляемых систем. С переходом на более высокоуровневые языки программирования эта тенденция усилилась. Многие инженеры механики и электромеханики не умеют программировать на высокоуровневых языках программирования. С появлением ПЛК в начале 1970-х годов возникла необходимость в их программировании. Для упрощения данной задачи возникли такие языки как РКС (язык релейно-контакторных схем или LAD на английском). Данный язык популярен и до сих пор. Однако ситуация начинает потихоньку меняться. Это связано с огромнейшей эволюцией сред разработки, а также ростом популярности профессии программиста. Многие выпускники ВУЗов понятия не имеют о языке РКС, а крупные компании предпочитают использовать высокоуровневые языки типа С#, C++, Java и так далее. Связь между человеком и машиной очень важна. Это отражается в четвёртом компоненте (связанности). Исследования подтвердили, что мозг обрабатывает информацию с изображением быстрее, чем просто текст. Это объясняет рост популярности использования пользовательских графических интерфейсов (GUI). Например, иконки в мобильных или браузерных приложениях. Еще одним плюсом является и то, что HTML может взаимодействовать с человеко-машинным интерфейсом, как и с браузером нашего компьютера или смартфона. Вдобавок, улучшение взаимодействия между ПЛК, ПК и веб-приложениями улучшает взаимодействие между системами, следовательно, упрощается разработка промышленных интернет вещей IIoT. Например, компьютер может использовать высокоуровневый язык Java, контроллер может использовать язык релейно-контакторных схем, а веб –приложение основываться на HTML. Задача определения технико-экономической эффективности автоматизации является частью общей задачи определения эффективности капиталовложений и новой техники. Экономическая эффективность должна определяться на всех стадиях проектирования. При этом экономическое обоснование варианта автоматизации должно содержать анализ всех составляющих экономического эффекта от её внедрения. Затем рассчитываются и сопоставляются капитальные вложения и эксплуатационные расходы по сравниваемым вариантам. После этого определяются показатели эффективности и делаются окончательные выводы об экономической эффективности сравниваемых вариантов. Тема 4. ЭВМ как основное техническое средство АСУ ЭВМ – это комплекс программных средств, предназначенных для автоматической обработки информации. Архитектура ЭВМ- общее описание структуры и функций ЭВМ, связанных с построением комплекса аппаратных и программных средств. В основу построения большинства компьютеров положены следующие принципы, сформулированные Джоном фон Нейманом: - принцип использования двоичной системы представления данных, - принцип программного управления, - принцип однородности памяти, - принцип адресности. Виды архитектур ЭВМ: 1. Однопроцессорные системы: одиночный поток данных (SISD) и множественный поток данных (SIMD), обусловлены одним векторным потоком команд, при том что самих потоков данных множество; 2. MIMD: представляет собой многопроцессорную систему, имеющую множественный поток команд и такой же поток данных, данная архитектурная система используется в современных супер-ЭВМ. 3. MISD: представляет собой одну программу со множеством данных, этот вид обозначает одновременное исполнение 2х и более копий одной программы в различных процессорных модулях с разными данными. Принципы (принципы фон Неймана): 1. Принцип программного управления (программа состоит из набора команд, которые выполняются процессором автоматически друг за другом в заданной последовательности). 2. Принцип однородности памяти (программы и данные хранятся в одной и той же памяти; над командами можно выполнять такие же действия, как и над данными). 3. Принцип адресности (основная память структурно состоит из пронумерованных ячеек). 4. Принцип двоичного кодирования.  Для представления данных и команд используется двоичная система счисления. 5. Принцип условного перехода.  Команды из программы не всегда выполняются одна за другой. Возможно присутствие в программе команд условного перехода, которые изменяют последовательность выполнения команд в зависимости от значений данных. Среди архитектур персональных компьютеров выделяют: - по разрядности интерфейсов и машинных слов: 8-, 16-, 32-, 64-разрядные (ряд ЭВМ имеет и иные разрядности); - по количеству центральных процессоров: однопроцессорные, многопроцессорные, суперскалярные. На данный момент создано четыре поколения ЭВМ: 1-ое поколение: 1946 г. создание машины ЭНИАК на электронных лампах. 2-ое поколение: 60-е годы. ЭВМ построены на транзисторах. 3-ье поколение: 70-е годы. ЭВМ построены на интегральных микросхемах (ИС). 4-ое поколение: Начало создаваться с 1971 г. с изобретением микропроцессора (МП). Построены на основе больших интегральных схем (БИС) и сверх БИС (СБИС). Пятое поколение ЭВМ строится по принципу человеческого мозга, управляется голосом. Соответственно, предполагается применение принципиально новых технологий. Огромные усилия были предприняты Японией в разработке компьютера 5-го поколения с искусственным интеллектом, но успеха они пока не добились. Тема 5. Специализированные вычислительные устройства и системы в АСУП В измерительной технике сигналом называют физический процесс, отображающий состояние объекта измерений и служащий для передачи измерительной информации, закодированной в параметрах сигнала, от объекта к потребителю информации. В зависимости от физической природы этого процесса сигнал может быть механическим, электрическим, тепловым, оптическим, акустическим и т.д. Кроме того, существуют разные виды сигналов : измерительный, вспомогательный, входной, промежуточный, выходной, полезные и вредные сигналы (помехи), аналоговые, дискретные и цифровые сигналы, детерминированные и случайные сигналы, узкополосные, широкополосные и др. Для формирования первичного измерительного сигнала используется физический процесс, отражающий измеряемую физическую величину: давление газа, температуру жидкости, ускорение движения контролируемого объекта и т.д. Промежуточными сигналами обычно являются электрические напряжения и токи во внутренних точках схемы ИУ, а выходным сигналом – показание прибора. Технические средства АСУТП получают значения контролируемых параметров и выдают управляющие воздействия в виде сигналов или в виде кодовых посылок через соответствующие машинные интерфейсы. Сигналы о величине или значении контролируемых параметров формируются средствами контроля (датчиками), основой которых является чувствительный элемент. Сигналы чувствительных элементов обычно преобразуются для передачи на расстояние и использования в качестве входных сигналов технических средств АСУТП. В качестве входных и выходных сигналов технических средства АСУТП используются электрические сигналы нормированных значений. При этом если средства контроля формируют  не нормированный сигнал, то для их подключения используются нормирующие преобразователи. В системах автоматизации используются как электрические, так и пневматические сигналы контроля и управления. Для преобразования энергии сигнала  используются соответственно пневмо-электрические (ПЭП) и электро-пневматические (ЭПП) преобразователи. По временным характеристикам используемые сигналы разделяются на: - аналоговые (значение сигнала непрерывно во времени); - дискретные (сигнал имеет два предельных значения); - импульсные (значение сигнала квантовано во времени). В качестве аналоговых электрических сигналов используются сигналы постоянного тока, а также сигналы постоянного напряжения, величина которых пропорциональна измеряемому параметру или управляющему воздействию.  Используются следующие нормированные диапазоны: -  сигналы тока: 0 – 5; 0 – 20; и 4 – 20 мА. -  сигналы напряжения: 0 – 10 В; ± 10 В; Дискретные электрические сигналы представляют собой величину напряжения постоянного или переменного тока. При этом в качестве отсутствия сигнала (логический ноль) считается напряжение не больше заданного минимального значения, а в качестве наличия сигнала (логическая единица) – напряжение не меньше заданного максимального значения. Электрические дискретные сигналы часто формируются цепями типа «сухой контакт». При этом предусматриваются схемы формирования требуемой величины напряжения логической единицы. Для дискретных электрических сигналов используются следующие нормированные значения напряжений для логической единицы: 24, 48, 110 и 220 В; По ГОСТ 9568-60 и ГОСТ 13053-67 предусмотрены следующие стандартные значения входных и выходных сигналов пневматических приборов и устройств: - рабочий диапазон изменения аналоговых сигналов: 0.02 – 0.1 мПа; - давление для значения 0 дискретного сигнала: 0 – 0.01 мПа; - давление для значения 1 дискретного сигнала: 0.11 – 0.14 мПа; - давление сжатого воздуха питания: 0.14 ±0.014 мПа; - давление сжатого воздуха питания приводов исполнительных механизмов: 0.14; 0.25; 0.4 и 0.6 мПа. Для повышения надежности входные и входные (сигнальные) цепи технических средств АСУТП обычно имеют гальваническую развязку (разделение). При организации обмена кодированными данными используются интерфейсы RS-232/422/485.