Краткий курс лекций по предмету Производственные интегрированные системы управления icon

Краткий курс лекций по предмету Производственные интегрированные системы управления



Смотрите также:
Кафаров В. В., Макаров В. В...
Краткий курс лекций по предмету «Ревизия и контроль» Специальность 2-25 01 31 «Финансы»...
Краткий курс лекций Харьков хнагх 2004 Ю. А. Фатеев. Логика: Краткий курс лекций. Харьков: хнагх...
Краткий курс лекций по предмету «Рынок ценных бумаг»...
Краткий курс лекций по философии учебно-методическое пособие для студентов всех специальностей...
Краткий курс лекций по медицинской микробиологии, вирусологии и иммунологии Часть первая...
Краткий курс лекций краснодар 2009 удк 591. 5: 595. 7(078) ббк 28. 681...
Краткий курс лекций по Отечественной истории с древности до начала...
Рабочая программа учебной дисциплины Интегрированные системы управления для специальности 230105...
Краткий курс лекций учебной дисциплины «Методика преподавания начального курса математики»...
Текст лекций по предмету «управление персоналом» Курс: 4...
Лекция 11 комплексные системы планирования...



страницы:   1   2   3   4   5
скачать



Краткий курс лекций по предмету

Производственные интегрированные системы управления

Industrial Information Management


Подготовил

Сергей Чекрыжов


Кохтла-Ярве

2006

Автоматизированные системы управления производством

В данном пособии в сжатой форме изложены принципиальные основы и функциональные элементы процесса разработки интегрированных систем управления технологическими процессами.

Современные технологии управления производственными системами направлены на решение следующих главных задач:

  • повышение технико-экономической эффективности производства за счёт улучшения процесса сбора, обработки информации и её использования для целей управления;

  • эффективность решения задачи оценивается стоимостью проектирования и реализации задачи, удобством и обеспечением оперативным взаимодействием человека-оператора и программно-технической части системы ( человеко-машинного интерфейса и т.д.);

  • обеспечение безопасности производства и его соответствия существующим европейским требованиям;

  • показателями эффективности решения данной задачи являются: надежность, экологичность, безопасность производства, включающего как элемент систему управления и т.д.



^

1.Структура АСУТП



«Автоматизация» - (от «ауто» – «само») – область науки и техники, связанная с вопросами управления без непосредственного участия человека.

«Автоматизация» - комплекс технических, методических, организационных и др. мероприятий, направленных на создание автоматических систем управления (управления без участия человека), либо автоматизированных систем управления (управление с участием человека в процессе принятия решений на управление).

Автоматические системы в дальнейшем будем обозначаться аббревиатурой «АСР», автоматизированные – «АСУ».

Термин «управление» используется для обозначения задач управления более сложных, чем задача поддержания (стабилизации) технологического параметра, для которой используется термин «регулирование».

АСУТП – автоматизированная система управления технологическими процессами – как правило, иерархически организованная двух – или трехуровневая система, выполняющая функции:

  • сбора информации о состоянии технологического объекта управления (ТОУ);

  • поддержание технологических параметров на заданных значениях (уставках);

  • контроль за технологическими параметрами, для которых не выполняется функция регулирования;

  • сигнализация о параметрах, значения которых вышли за пределы, рассматриваемые как предельно допустимые;

  • блокировка управлений, являющихся результатом ошибочных действий технологического персонала;

  • противоаварийная защита (ПАЗ) процесса и производства при возникновении аварийных ситуаций.

Перечисленные функции, как правило, выполняются подсистемами нижнего уровня. В англоязычной литературе этому уровню соответствует термин «control».

Подсистемами второго и, возможно, третьего уровней выполняются такие функции как:

  • архивирование событий;

  • вычисление по моделям (косвенное измерение) не измеряемых технологических параметров, показателей качества продуктов производства, отдельных технико-экономических показателей;

  • проверка или сведение материальных и энергетических балансов для аппаратов, установок, цехов и т.д.;

  • выработка управлений для предотвращения развития аварийных событий, в частности, подключение резервного оборудования, диагностика наличия и причины неисправности, формирование уставок для подсистем нижнего уровня и т. д.

Перечисленные задачи относят к «продвинутым» (advance). Общее название подсистем данного уровня в англоязычной литературе – «SCADA»-системы (Supervisor Control And Data Acvisition).

В свою очередь на этом уровне выделяют подсистемы:

MES (Manufacturing execution system) – подсистемы исполнения производства или технического исполнения плана;

MRP (Manufacturing resource planning) – подсистемы планирования производства с учетом наличных ресурсов и возможностей технологии. Последняя подсистема с равным правом может быть отнесена также к уровню управления, который в англоязычной литературе обозначается термином «management» и соответствует задачам управления производством и предприятием, решаемым автоматизированными системами управления производством (АСУП).

В конечном счете, перечисленные подсистемы АСУТП в целом обеспечивают оперативное управление производством в реальном времени («on linе») по техническим, в частности, технологическим параметрам и показателям с учетом технических ограничений. В отдельных случаях АСУТП решает также частные задачи управления процессами по технико-экономическим показателям. В общем же случае управление производством по экономическим критериям и технико-экономическим показателям осуществляется АСУП, для которых основной целью управления является планирование производства и автоматизация процессов документооборота (режим работы «off line»), в частности, процессов снабжения производства сырьем, сбыта продукции, финансовых процессов. Задачи последнего типа относят к области интересов логистики.

На уровне АСУП часто выделяют:

-задачу планирования (управления) ресурсами ERP (Enterprise Resource Planning);

-задачу управления основными фондами и имуществом EAM (Enterprise Asset Management).

АСУП можно рассматривать как ядро или одну из главных и необходимых подсистем ^ Интегрированных систем управления предприятием (ИСУ), целью построения и работы которых является выполнение функций АСУТП, автоматизация бизнес–процессов, когда основной задачей является представление информации в виде, необходимом для принятия решений, автоматизация задач планирования и проектирования (основная задача – автоматизация рабочего места (АРМ) лица, выполняющего соответствующую организационную работу) и т.д. Заметим, что в ИСУ обеспечивается автоматизированная информационная связь между подсистемами АСУТП, АСУП, АРМами.

. Основой обеспечения качества любого производства в соответствии со стандартами ISO 9001 является наличие управления по показателям качества (или эффективности) выполнения каждого цикла производственного процесса, реализуемое на основе принципа обратной связи. Это рассматривается как необходимое условие обеспечения качества продукции, высокого уровня технологии производства и, в конечном счете, эффективности производства и бизнес-процесса.

На рис. 1. приведена также функциональная схема управления , в которой SCADA–система представлена как ядро АСУТП, а всё остальное условно отнесено к АСУП.

Автоматизированный технологический комплекс (АТК) – это совокупность ТОУ и АСУТП.

При решении задач реализации (построения) АСУТП обычно используются специализированные программные пакеты, которые достаточно условно можно разбить на два подмножества:

1). CASE–средства (Computer Aided Software Engineering). предназначенные для программирования задач, реализуемых подсистемами нижнего уровня АСУТП на промышленных микроконтроллерах (ремиконтах);





Рис. 1. Функциональная схема управления технологическим процессом

2). SCADA–системы, которые предназначены для автоматизированного конфигурирования АСУТП из таких элементов как микроконтроллеры, компьютеры, технологические станции и т. д. и программирования задач отнесённых к SCADA – уровню.

Одной из основных задач, решаемых SCADA–системами, является обеспечение высокого уровня сервиса при представлении информации о процессе. Поэтому иногда SCADA–пакеты, предназначенные главным образом для визуализации и удобного представления информации, получили название MMI – систем (Man Machine Interface).

AСУ ТП – автоматизированная система управления технологическими процессами, имеющая 2 или 3 уровня и выполняющая следующие функции:

- сбор информации;

- поддержание технологических параметров на заданных значениях;

- контроль за технологическими параметрами, для которых не выполняются функции регулирования;

- сигнализация;

- блокировка управлений, являющихся результатом ошибочных действий технологического персонала;

- противоаварийная защита (ПАЗ) при возникновении аварийных ситуаций.

Упрощенно структуру АСУТП можно представить в следующем виде





Рисунок 2 - Структура информационных потоков АСУ ТП


^ Первый (нижний) уровень АСУТП является уровнем датчиков, исполнительных механизмов и контроллеров, которые устанавливаются непосредственно на технологических объектах. Их деятельность заключается в получении параметров процесса, преобразовании их в соответствующий вид для дальнейшей передачи на более высокую ступень (функции датчиков), а также в приеме управляющих сигналов и в выполнении соответствующих действий (функции исполнительных механизмов).

Задачами уровня являются:

- сбор информации об измеряемых технологических параметрах процесса;

- выработка управляющих воздействий на технологический процесс с целью поддержания технологических параметров на заданных значениях или изменения их по определенным законам;

- сигнализация о выходе их за заданные пределы;

- блокировка ошибочных действий персонала и управляющих устройств;

- противоаварийная защита (ПАЗ) процесса по факту аварийных событий.

Подсистемы этого уровня поддерживают параметры технологического процесса на заданных значениях и могут быть реализованы с использованием «традиционных» методов регулирования динамическими объектами.

^ Второй (средний) уровень - уровень производственного участка (цеха). Его функции:

- сбор информации, поступающей с нижнего уровня, ее обработка и хранение;

- выработка управляющих сигналов на основе анализа информации;

- передача информации о производственном участке на более высокий уровень;

- вычисление неизмеряемых параметров, в частности, показателей качества (ПК) продуктов, технико-экономических показателей;

- сведение материальных балансов;

- архивирование информации;

- генерация отчетов;

- диагностика и защита от сбоев в элементах подсистем нижнего уровня;

- определение настроек управляющих устройств (УУ) и уставок локальных регуляторов подсистем I уровня;

- изменение структуры локальных подсистем (переконфигурирование, включение/выключение, переход в ручное управление и т.д.).

На данном уровне производится оптимизация технологических процессов по технологическим показателям.

^ Третий (верхний) уровень в системе автоматизации занимает т.н. уровень управления и относится к системе управления предприятием (АСУП). На этом уровне осуществляется контроль за производством продукции и оптимизация по технико-экономическим и экономическим показателям. Этот процесс включает в себя сбор поступающих с производственных участков данных, их накопление, обработку и выдачу руководящих директив нижним ступеням. Задачи управления данного уровня:

- оптимизация экономических показателей производства;

- управление по экономическим и технико-экономическим показателям;

- сведение материальных балансов;

- архивирование информации;

- составление производственных планов и т.д.

Следует отметить, что некоторые задачи второго и третьего уровней перекрываются и в ряде случаев эти два уровня объединяются в один.


Атрибутом этого уровня является центр управления производством, который может состоять из трех взаимопроникающих частей:

1) операторской части,

2) системы подготовки отчетов,

3) системы анализа тенденций.

^ Операторская часть отвечает за связь между оператором и процессом на уровне управления. Она выдает информацию о процессе и позволяет в случае необходимости вмешательство в ход автоматического управления. Обеспечивает диалог между системой и операторами.

^ Система подготовки отчетов выводит на экраны, принтеры, в архивы и т.д. информацию о технологических параметрах с указанием точного времени измерения, выдает данные о материальном и энергетическом балансе и др.

^ Система анализа тенденций дает оператору возможность наблюдать за технологическим параметрами и делать соответствующие выводы.

На верхнем уровне АСУ ТП размещены мощные компьютеры, выполняющие функции серверов баз данных и рабочих станций и обеспечивающие анализ и хранение всей поступившей информации за любой заданный интервал времени. а также визуализацию информации и взаимодействие с оператором. Основой программного обеспечения верхнего уровня являются пакеты SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition - системы управления и доступа к данным).





Рисунок 2 – Развернутая структура современной АСУТП

Структура современной АСУТП в развернутом виде представлена в виде (см. рисунок 2).


^ 2 Аппаратная реализация систем управлени


2.1 Средства измерения технологических параметров

Во всем сообществе электронных средств промышленной автоматизации в последнее время появилась ниша приборов с цифровым способом передачи данных, то есть на смену господствовавшему в течение почти 25 лет стандарту 0...20 мА (4...20 мА и др.) приходит двоичный способ представления информации в системах управления и регулирования. Преимущества данного способа: повышенная точность передачи данных, возможность обнаружения и устранения ошибок при передаче, возможность использования одной линии связи для работы нескольких устройств, а также использование одной линии для передачи как аналоговых, так и цифровых сигналов (например, HART-протокол) и т.д.

С развитием технических средств автоматизации менялись методы измерения и идеология построения самих систем измерения и управления.

Далее рассматривается аппаратная реализация первого (нижнего) уровня современной АСУТП, объединяющего информационные системы сбора и первичной обработки информации.

В настоящее время применяют т.н. «интеллектуальные датчики». Этот термин означает, что устройство имеет встроенный микропроцессор, который позволяет осуществлять определенные функции. Интеллектуальный датчик может давать более точные показания благодаря применению числовых вычислений для компенсации нелинейностей чувствительного элемента или температурной зависимости. Так, основная погрешность приборов серии «Метран-45» составляет 0,25 % от шкалы, а основная погрешность интеллектуального датчика серии 3051 Coplanur (фирма Fisher-Rosemount Inc.) - 0,075 %. В круг возможностей некоторых приборов входит измерение нескольких параметров и пересчет их в одно измерение (например, объемный расход , температуру и давление в массовый расход, т.н. многопараметрические датчики), функции встроенной диагностики, автоматическая калибровка.

Некоторые интеллектуальные приборы (например, семейство приборов Rosemount SMART FAMILY) позволяют посылать в канал передачи и аналоговый сигнал, и цифровой. В случае одновременной трансляции обоих видов сигналов аналоговый используется для трансляции значения измеренного параметра, а цифровой - для функций настройки, калибровки, а также позволяет считывать измеряемый параметр. Эти устройства обеспечивают преимущества цифровой связи и, в то же время, сохраняют совместимость и надежность аналоговых средств, которые требуются для существующих систем.

Считывание измеряемого параметра в цифровой форме повышает точность за счет ограничений операций цифро-аналогового и аналого-цифрового преобразований сигнала 4...20 мА. Но цифровой способ измерения вносит задержку в измерения (время, затраченное на последовательную передачу информационной посылки), которая может быть неприемлема для управления быстродействующими контурами.

Цифровой датчик позволяет хранить дополнительную информацию о процессе (тэг, описатель позиции измерения, диапазон калибровки, единицы измерения), записи о процедурах его обслуживания и т.п., считываемой по запросу. Многопараметрические приборы содержат базу данных по физическим свойствам измеряемых жидкостей и газов.

При выборе технических средств нужно руководствоваться, прежде всего, спецификой процесса. Если нет необходимости использования сложных алгоритмов управления, не требуется высокой точности, если объект не является рассредоточенным и не требует большого числа приборов, то здесь можно эффективно использовать пневматические средства. Данные устройства имеют некоторые преимущества перед электрическими: они пригодны для эксплуатации во взрыво- и пожароопасных зонах, вся автоматика защиты (отсечные клапаны) смонтированы на пневмосредствах, просты в эксплуатации, не требуют особой подготовки персонала, кроме того, требуют меньших материальных затрат на приобретение.

Для объектов с сосредоточенными параметрами (например, установка на НПЗ) более подойдут аналоговые средства, которые обладают рядом преимуществ. В частности, использование стандартных уровней сигналов не ставит проблемы сопряжения устройств, скорость передачи подходит для использования в системах реального времени, высокая точность (до 0,05 %) и возможность применения нестандартной аппаратуры. Но потребность в большом количестве недешевых соединительных проводов, ограничения на дальность передачи и подверженность влиянию помех вносят неудобства при применении.

Класс цифровых устройств, кроме перечисленных выше задач, позволяет решать задачи управления сильно распределенных объектов (например, НГДУ) и благодаря применению пары проводов для подключения нескольких приборов значительно уменьшает затраты на монтаж системы. Особенности применения цифровой передачи, из-за отсутствия единого стандарта, связаны с использованием различных протоколов связи.


^ 2.2 Устройства связи с объектом


Почти все технологические параметры, присутствующие в реальном промышленном объекте, имеют аналоговый или дискретный вид. Существует много датчиков, которые могут преобразовывать измеряемые величины только в аналоговый вид, а также много исполнительных механизмов, имеющих только аналоговые входные сигналы. С другой стороны, новейшие средства автоматизации, которые находят все большее применение в системах управления, используют цифровое представление обрабатываемых величин. Для того, чтобы связать между собой параметры, представленные в аналоговом/дискретном и цифровом виде, используются устройства связи с объектами (УСО). Таким образом, УСО являются неотъемлемой частью любой системы управления, в том числе использующей цифровые устройства (промышленные компьютеры, вычислительные сети и т.д.). Для представления места УСО в процессе автоматизации производства подобные системы можно теоретически изобразить в виде схемы (см. рисунок 3.3).




Рисунок 3


Датчики, устанавливаемые на объекте, предназначены для первичного преобразования параметров в выходной сигнал для передачи в УСО. Исполнительные механизмы принимают управляющие сигналы, прошедшие через УСО, для воздействия на процесс. Связь между датчиками, исполнительными механизмами и УСО может быть аналоговой, дискретной или цифровой.

Промышленный компьютер (РС) в системе играет роль управляющего элемента, принимающего цифровую информацию от УСО и вырабатывающего управляющие сигналы. Для связи между ним и УСО используется любой из цифровых интерфейсов (ЦИ), к числу которых относятся RS-232, RS-422, RS-485 и др.

Данная схема является условной, поскольку в реальных системах модули УСО могут не присутствовать в виде самостоятельного устройства, а входить в состав датчиков или промышленных компьютеров. Примером служат датчики, которые осуществляют двойное (тройное и т.д.) преобразование измеряемой величины и выдающие на вход готовый цифровой сигнал. В этом случае граница между собственно первичным преобразователем и УСО проходит где-то внутри него. С другой стороны, УСО могут быть выполнены в виде АЦП/ЦАП-платы, вставляемой в ISA-слот компьютера. В этом случае аналоговые сигналы могут быть введены прямо в компьютер, где и преобразуются в цифровой код.

В дальнейшем в качестве УСО будем рассматривать модули, платы и другие устройства, предназначенные для приема аналоговых и дискретных сигналов от объекта (независимо от того, сколько раз они были преобразованы внутри него), преобразования его в цифровой вид для передачи в компьютер (контроллер), а также для приема цифровых управляющих данных от РС и преобразования их в вид, соответствующий исполнительным механизмам объекта.

^ Модули УСО - это конструктивно законченные устройства, выполненные в виде модулей, устанавливаемых, как правило, в специализированные платы, имеющие клеммные соединители для подвода внешних цепей (такие платы называют монтажными панелями), либо на стандартный несущий DIN-рельс. Модули УСО заключены в пластмассовый корпус и оснащены соответственно либо выводами для крепления на монтажных панелях, либо клеммными соединителями с винтовой фиксацией для крепления входных и выходных цепей.

^ На УСО возлагают следующие функции:

1) Нормализация аналогового сигнала - приведение границ шкалы первичного непрерывного сигнала к одному из стандартных диапазонов входного сигнала аналого-цифрового преобразователя измерительного канала. Наиболее распространены диапазоны напряжений от 0 до 5 В, от -5 до 5 В, от 0 до 10 В и токовые: от 0 до 5 мА, от 0 до 20 мА, от 4 до 20 мА, от 1 до 5 мА.

2) Предварительная низкочастотная фильтрация аналогового сигнала - ограничение полосы частот первичного непрерывного сигнала с целью снижения влияния на результат измерения помех различного происхождения. На промышленных объектах наиболее распространены помехи с частотой сети переменного тока, а также хаотические импульсные помехи, вызванные влиянием на технические средства измерительного канала переходных процессов и наводок при коммутации исполнительных механизмов повышенной мощности.

3) Обеспечение гальванической изоляции между источниками сигнала и каналами системы.

Помимо этих функций, ряд устройств связи с объектом может выполнять более сложные функции за счет наличия в их составе подсистемы аналого-цифрового преобразования и дискретного ввода-вывода, микропроцессора и средств организации одного из интерфейсов последовательной передачи данных.

Простейшим устройством гальванической развязки является электромагнитное реле. Реле, как правило, инерционны, имеют относительно большие габариты и обеспечивают ограниченное число переключений при достаточно большом потреблении энергии. Развитие электроники привело к распространению компонентов, обеспечивающих оптическую развязку между цепями. УСО, построенные с использованием такой развязки, являются недорогими, высоконадежными и быстродействующими. Кроме того, они характеризуются высоким напряжением изоляции и низкой потребляемой мощностью.

По характеру обрабатываемого сигнала УСО можно разделить на аналоговые дискретные и цифровые.

^ Аналоговые УСО должны обладать большой точностью, хорошей линейностью и обеспечивать достаточно большое напряжение изоляции. Кроме того, желательными являются работа с различными источниками входных сигналов (токи, напряжения, сигналы от терморезисторов, термопар и т.д.), возможности быстрой замены и низкая стоимость.

^ Дискретные УСО обеспечивают опрос датчиков с релейным выходом, концевых выключателей, контроль наличия в цепи напряжения, тока и т.д., а выходные УСО формируют сигналы для управления пускателями, двигателями и прочими устройствами. Дискретные УСО должны удовлетворять тем же требованиям, что и аналоговые. Кроме того, они должны обладать минимальным временем переключения, а выходные - обеспечивать коммутацию как можно более высоких напряжений и токов и вносить при этом минимум искажений, обусловленных переходными процессами, в коммутируемую цепь.

Среди модулей УСО существуют также устройства, работающие только с цифровой формой информации. К ним относятся коммуникационные модули, предназначенные для обеспечения сетевого взаимодействия. Например, повторители, служащие для увеличения протяженности линии связи, преобразователи интерфейсов RS-232/RS-485.

^ По направлению прохождения данных через УСО их можно разделить на 3 типа:

1) устройства ввода, обеспечивающие передачу сигнала с датчиков в устройство обработки и вывода сигналов для управления;

2) устройства вывода, предназначенные для формирования сигналов для исполнительных механизмов;

3) двунаправленные, то есть обеспечивающие ввод и вывод сигналов.

Если рассматривать УСО с точки зрения назначения и конструктивного исполнения, то здесь можно выделить следующую классификационную структуру:


1 Устройства преобразования типа «а/д сигнал  ЦИ», т.е. преобразующие аналоговые и дискретные сигналы в цифровой вид для передачи по цифровому интерфейсу (ЦИ) и наоборот. Внутри этого типа можно выделить классы:

1.1 Модули аналогового/дискретного ввода/вывода, выполненные в одном конструктиве (см. рисунок 4,а). Пример: серия ADAM-4000 фирмы Advantech.

1.2 Устройства типа «а/д  модуль  м.п.  ЦИ» (м.п. - монтажная плата) (см. рисунок 4,б). Пример: модули фирм Grayhill, Analog Devices.

1.3 Устройства типа «а/д  модуль  м.п.  контроллер  ЦИ» (см. рисунок 4,в). Пример: контроллеры Grayhill.

2 Вспомогательные устройства:

2.1 Устройства типа «ЦИ  ЦИ», служащие для преобразования интерфейсов либо для организации новых сегментов измерительной сети (коммуникационные модули) (см. рис. 3.4, г). Пример: серия ADAM-4000 фирмы Advantech.

2.2 Модули нормализации и гальванической развязки («а/д  модуль  а/д»). Пример: серия ADAM-3000 фирмы Advantech.

3 Платы для ввода/вывода данных в PC:

3.1 Формирователь интерфейсов («ЦИ  плата  РС»).

3.2 Платы АЦП/ЦАП («а/д  плата  РС»).




Рисунок 4


Некоторые УСО используют монтажные платы для установки модулей ввода/вывода. На некоторых из этих плат установлены АЦП/ЦАП-преобразователи и формирователи ЦИ.

Устройства первого вида являются основными УСО, используемыми в автоматизации и поэтому широко представленными производителями. Эти устройства предназначены для реализации взаимодействия между вычислительной системой и датчиками непрерывных и дискретных параметров, а также для выдачи управляющих воздействий на исполнительные механизмы.




Скачать 0,67 Mb.
оставить комментарий
страница1/5
Дата28.09.2011
Размер0,67 Mb.
ТипДокументы, Образовательные материалы
Добавить документ в свой блог или на сайт

страницы:   1   2   3   4   5
отлично
  3
Ваша оценка:
Разместите кнопку на своём сайте или блоге:
rudocs.exdat.com

Загрузка...
База данных защищена авторским правом ©exdat 2000-2017
При копировании материала укажите ссылку
обратиться к администрации
Анализ
Справочники
Сценарии
Рефераты
Курсовые работы
Авторефераты
Программы
Методички
Документы
Понятия

опубликовать
Документы

наверх