Основные задачи информационных технологий для управления технологическими процессами
Основные задачи информационных технологий для управления технологическими процессами
Информационные технологии сбора и обработки информации. Технологический процесс, которым мы управляем с помощью АСУТП является источником информации, на основе которого в АСУТП вырабатываются управляющие воздействия в соответствии с выбранным объектом, и эти процессы в последующем организуются на объекте.
АСУТП осуществляет следующие основные функции:
1. Информационные функции
Это сбор и обработка информации по состоянию технологического объекта. С этой целью на технологическом объекте устанавливаются датчики физических величин (массовых и объемных расходов, температур, давлений, скоростей, составов). Помимо опросов датчиков и считывания результатов, в АСУТП осуществляется обработка поступающей информации. В результате измерения составов и масс полученных продуктов рассчитывается материальный баланс, извлечение металла в целевой продукт и другие технологические параметры.
2. Управляющая функция
· Регулирование – стабилизация технологических параметров, т.е. поддерживание их заданных значений (например, путём изменения расхода топлива поддерживается температура печи).
· Программное управление – значение технологического параметра поддерживается таким образом, чтобы обеспечить выбранный закон изменения регулируемой величины.
Рекомендуемые материалы
· Логическое управление – изменяется параметр управления в соответствии с определёнными логическими правилами.
· Оптимальное управление – для осуществления оптимального управления предварительно необходимо решить оптимизационную задачу, выработать оптимальную величину воздействий и поддерживать эти величины с помощью регуляторов. Для реализации такого управления в АСУТП должна быть модель технологического процесса.
3. Вспомогательные функции.
АСУТП является ответственной системой. Сбои в работе АСУТП означают потерю контроля над управляемым процессом. АСУТП должна обладать высокой надёжностью. Для обеспечения надёжности служат вспомогательные функции, которые обеспечивают контроль технологических и программных средств АСУТП.
К АСУТП относятся три нижних уровня информационной структуры.
Уровень Input/Output – непосредственно взаимодействует с объектом. Его задачи:
1. Сбор информации с объекта. Измерение величин параметров объекта с помощью датчиков.
2. Результаты измерения этих величин передаются на следующий уровень Control.
Функция Output предполагает, что с уровня Control на технологический объект передаются управляющие воздействия. Для этого технологический объект снабжают исполнительными механизмами. Назначение исполнительных механизмов – воздействие на регулирующий орган. Исполнительные механизмы могут быть электрическими (электродвигатели различных типов в комплексе с редукторами), электромагнитными, пневматическими, гидравлическими.
Уровень Control. Основная задача – непосредственное управление технологи-ческим объектом, т.е. изменение управляющих параметров для достижения желаемых выходных величин. Для этого АСУТП имеет соответствующие аппаратные и программные средства.
Аппаратные средства АСУТП - программируемые логические контроллеры – ПЛК (PLC). ПЛК представляет собой специализированную ЭВМ или промышленный компьютер, способную надежно работать в цеховых условиях, т.е. при наличии помех от элекрооборудования, нестабильных напряжениях в питающих сетях, изменении температур в широком диапазоне, вибрации, запыленности и т.п.
Программное обеспечение этого уровня позволяет организовывать с помощью ПЛК локальные регуляторы, каждый из которых воспринимает информацию с датчика физической величины, вычисляет управляющее воздействие и передаёт исполнительным механизмам соответствующий сигнал, который превращается в положение регулирующего органа.
Локальный регулятор- это программа, воспринимающая в качестве входных величин измеренное датчиком значение технологического параметра и уставку. Измеренное значение технологического параметра поступает в локальный регулятор с уровня Input.
Уставка регулятора – то значение величины, которое необходимо поддер-живать с помощью регулятора. Значение уставки выбирается на уровне SCADA.
Выходом регулятора является сигнал управления, поступающий на уровень Output, т.е. на исполнительный механизм, который управляет положением регулирующего органа.
Уровень SCADA – уровень диспетчерского управления. Получает информацию о технологическом процессе с нижних уровней информационной структуры (Input/Output и Control). Основная задача уровня SCADA – диспетчерское управление технологическим процессом. Для этого в составе SCADA систем имеется ряд специфических средств:
· Средство, позволяющее представить технологический объект наиболее наглядно. Чаще всего в составе SCADA систем имеется мнемосхема, на ней в соответствующих точках выводится в реальном времени текущие значения технологических параметров.
· Модельная система поддержки принятия решений (МСППР). Задача её: на базе математической модели технологического процесса отыскать оптимальные управляющие воздействия, которые затем превращаются в уставки локальных регуляторов.
Таким образом, SCADA - система с уровня Control получает информацию о текущих значениях технологических параметров. Далее информация обрабатывается на основе математической модели, вычисляются уставки регуляторов, и эти уставки возвращаются в локальные регуляторы.
В составе SCADA есть другие компоненты, позволяющие в частности, архивировать данные о технологическом процессе. Эти архивные данные по запросу персонала выдаются в графическом виде зависимости измеряемой величины от времени. Такие графики носят название тренд. Они позволяют оценить динамику изменения состояния технологического процесса во времени.
АСУТП содержит первые три уровня информационной системы.
SCADA система выдаёт информацию на более высокие уровни информационной структуры предприятия.
Уровень MES – уровень исполнения производства. Этот уровень получает информацию от SCADA системы. Информация о технологическом процессе, поступающая на уровень MES, является результатом обобщения: например, производительность процесса оценивается не по скорости загрузки шихты в печь в тоннах в час, а рассчитывается как средняя за смену, сутки и т.п.. Уровень SCADA позволяет управлять отдельным технологическим аппаратом или отдельной технологической операцией. На уровне MES собирается информация с многих SCADA - систем. В этой информации не содержится сведений о локальных параметрах технологических процессов, а присутствует результат усреднения (например, суточное количество перерабатываемой шихты, часовой расход энергии, средний состав шихты и др.). На основе этой информации на уровне MES рассчитываются материальные и энергетические балансы, характеризующие всю технологическую схему. На этом же уровне формируются плановые задания для SCADA систем, управляющих отдельными технологическими объектами. Планирование оперативное, рассчитано на краткосрочную перспективу (суточные, сменные, часовые задания).
Наиболее высокий уровень – MRP – решение стратегических задач развития предприятий. Анализ результатов работы предприятия за относительно долгосрочный период (квартал, полугодие, год). Определяются критические точки технологии, а так же технические и экономические решения, которые позволяют оптимизировать работу предприятия в целом.
При построении АСУТП используется системный подход. В данном случае эта концепция предполагает:
1. нормализацию данных;
2. стандартизацию форм обмена информацией;
3. гибкие средства, позволяющие объединить различные аппаратные и программные части АСУТП.
Неотъемлемой частью АСУТП является устройство сопряжения с объектом (УСО). УСО соответствует уровню Input/Output информационной системы.
Задача: создать АСУТП, позволяющую управлять процессом плавки.
TE – датчик температуры, термопара.
QE – датчик массовогот расхода шихты, количество шихты.
FE – датчик объемного расхода газа и воздуха, объемные расходы топлива и дутья.
В составе УСО есть два модуля: модуль ввода и модуль вывода.
Нормализация данных.
Вместе с этой лекцией читают "31 Энергия магнитного поля".
Датчики физических величин преобразуют измеренную величину в определённый вид сигнала, чаще всего это электрический сигнал. Информация об измеренной величине в таком сигнале присутствует в аналоговой форме: это либо напряжение, либо ток. Датчики разрабатываются в соответствии с существующими стандартами ГСП. В рамках ГСП существуют унифицированные сигналы: 0…2В, 0…10В, -10…10В, – сигналы напряжения, – 0…20мА, 2…20мА, – сигналы тока.
Программируемые логические контроллеры, входящие в состав АСУТП – это цифровые электрические машины. Возникает ещё одна задача: преобразование аналоговой величины в цифровую форму. Для этого существуют модули аналого-цифрового преобразования (АЦП). Для управления исполнительными механизмами и в ряде других случаев требуется и обратное цифро-аналоговое преобразование (ЦАП).
УСО обеспечивает так же:
· гальваническую развязку;
· фильтрацию сигналов, передаваемых от датчиков контроллеру.
УСО является неотъемлемой частью АСУТП, соответствует уровню Input/Output.
