5.2. Предварительное проектирование системы управления
На этом этапе решаются следующие задачи:
изыскание и разработка принципов построения системы управления, отвечающих заданным или предполагаемым требованиям;
разработка и оптимизация структуры системы управления по основным (определяющим) критериям или их совокупностям;
изыскание и разработка принципов построения технических средств, обеспечивающих создание системы с лучшими характеристиками;
изыскание (разработка) методов оптимизации системы управления и их составляющих;
изыскание (разработка) методов проектирования системы управления, обеспечивающих достижение заданных характеристик с наименьшими затратами времени и сил.
Решение перечисленных задач (за исключением второй) обычно относят к категории поисковых работ, целью которых является не только выполнение ближайших по срокам конкретных проектов, но и создание задела для перспективных разработок.
Предварительное проектирование системы управления начинается с выбора структуры системы управления и технических средств ее реализации, а также определения основных статических и динамических характеристик системы и составляющих ее звеньев с учетом основных требований технического задания по точности, надежности, массогабаритным показателям и энергопотреблению.
Для предварительной оценки основных характеристик и оптимизации системы управления по ним широко используются методы математического и имитационного моделирования на ЭВМ.
При проектировании системы управления производственными участками механообработки и сборки, а также отдельными технологическими процессами предпочтение отдается двухуровневой структуре системы управления, приведенной на рис. 5.1, где системы управления первого уровня представляют собой ТСУ, работающие в основном в автоматическом режиме, критериями эффективности функционирования которых, в первую очередь, являются технические или технологические показатели, такие как точность, надежность, массогабаритные характеристики, устойчивость, стабильность и энергопотребление. Система управления второго уровня решает задачи группового управления оборудованием и технологическим процессом, задачи разработки управляющих программ и их трансляции на первый уровень. В качестве критериев эффективности управления на втором уровне в основном используются технико-экономические, такие как производительность, себестоимость, энергопотребление и некоторые другие.
Рис. 5.1. Двухуровневая структура АСУ ТП
на уровне производственного участка
При проектировании системы управления цехом или производственным процессом предпочтение отдается трехуровневой системе управления, приведенной на рис. 5.2, где на третьем уровне решаются задачи оперативного управления, т. е. задачи координации, синхронизации, оптимизации и взаимодействия с другими системами управления аналогичного уровня. В качестве критериев эффективности управления здесь в основном используются экономические или технико-экономические показатели.
Чрезвычайно ответственный этап предварительного проектирования – выбор технических средств проектируемой системы управления и прежде всего элементной базы (системы элементов), т. е. той технической основы, на которой строится система управления.
Рис. 5.2. Трехуровневая структура АСУПП на уровне цеха
Если в процессе проектирования можно изменить структуру системы управления с относительно небольшими потерями времени и средств, но без конкретной перестройки производства, то изменение элементов системы на последующих этапах проектирования связано в большинстве случаев со значительной перестройкой производства и может сделать дальнейшее проектирование невозможным или бесперспективным.
Выбор системы элементов наряду со структурными методами в значительной степени предопределяют надежностные характеристики проектируемой системы управления. Обеспечение надежности проектируемой системы управления – одна из основных задач предварительного проектирования, так как в этом случае требуются минимальные затраты. На рис. 5.3 показана зависимость затрат С на проектирование от начала работ по обеспечению надежности системы, где С0 – намеченные общие затраты на проектирование системы управления; tп.п, tэ.п, tт. п, tс.п, tэ – соответственно время предварительного, эскизного и технического проектирования, а также серийного производства и эксплуатации.
Вопросы обеспечения требуемой надежности системы управления важны как для технических средств управления, т. е. системы управления нижнего уравнения, так и систем управления верхних уравнений.
Рис. 5.3. Затраты на проектирование системы управления
При выборе технических средств для проектируемой системы управления производственными участками или цехами решаются следующие задачи:
выбор УВМ (ЭВМ) верхних уравнений с учетом их стоимости, комплектности, т. е. интерфейсного оборудования и средств связи с объектом управления, а также общесистемного и специально математического, программного и информационного обеспечения;
выбор каналов связи и режимов их работы с учетом обеспечения требуемой помехозащищенности и достоверности передаваемых данных для систем управления, работающих в реальном времени;
выбор технических средств реализации ТСУ, а именно устройств ЧПУ, микропроцессоров и других средств.
Наиболее эффективно и перспективно использование при проектировании систем управления информационно-управляющих локальных вычислительных сетей.
На этапе предварительного проектирования:
оценивается рациональное распределение функций систем управления между ее технической частью и оператором;
анализируются в первом приближении методы обслуживания проектируемой системы управления в процессе эксплуатации;
исследуются математические и физические модели;
выбираются методы и точки контроля технологических параметров изделий, деталей, а также характеристик технологического оборудования (задачи контроля в основном решаются на нижнем уровне, т. е. на уровне управления технологическим оборудованием);
формируется структура и состав информационно-справочной системы, а также методы поддержки информационной базы в рабочем состоянии.
Итоги предварительного проектирования отражаются в технических предложениях на систему управления.