ВСТУП

Автоматизована система управління технологічним процесом (АСУ ТП) – комплекс програмних і технічних засобів, призначений для автоматизації управління технологічним устаткуванням на підприємствах [1, 4, 5, 15, 20]. Під АСУ ТП зазвичай розуміють комплексне рішення, що забезпечує автоматизацію основних технологічних операцій на виробництві в цілому або якійсь його дільниці, що випускає відносно завершений продукт.

В англійській літературі для позначення АСУ ТП звичайно використаються терміни Process Control Systems або рідше Automatic Control Systems. Тут важливо зробити акцент на слові “автоматизована”. Під цим мається на увазі, що система управління аж ніяк не повністю автономна (самостійна) і потребує участі людини (оператора) для реалізації певних завдань. Вираз “пустив і забув” для таких систем не підходить. Навпаки, системи автоматичного управління (САУ) призначені для роботи без якого-небудь контролю з боку людини й повністю автономні. Дуже важливо розуміти цю принципову різницю між АСУ й САУ.

Під АСУ розуміють колективи людей, а також сукупність адміністративних та економіко-математичних методів, інформаційної бази, засобів обчислювальної техніки і зв’язку [1, 15]. Така сукупність дає змогу здійснювати оптимальне управління в різних сферах людської діяльності. Управління в АСУ полягає у виборі найкращих керівних впливів з безлічі можливих за заданим економічним критерієм ефективності, з урахуванням інформації про стан об’єктів і навколишнього середовища (рис. 1.1).

У сфері виробництва основний ефект від упровадження АСУ досягається за рахунок поліпшення якості керівних впливів, зменшення часу реакції системи на збурювальні впливи, упорядкування структури інформаційних потоків, звільнення працівників від рутинної, нетворчої роботи.

АСУ поділяються на підсистеми, які є елементами автоматизованої системи управління, що виділені за певною функціональною ознакою, які відповідають конкретним цілям і завданням управління. В рамках розв’язання завдань одного функціонального призначення підсистеми АСУ можна розглядати як самостійні системи.

Рис. В.1 Управління в АСУ

АСУ можна класифікувати відповідно до виконуваних функцій як: адміністративно-організаційні, технологічні (для управління технологічними процесами) та інтегровані. Інтегровані АСУ виконують функції, що об’єднують обидва попередніх види, тобто функції, пов'язані з розв’язанням питань адміністративно-організаційного управління (оптимізація за економічними критеріями планування та оперативного управління діяльністю підприємства) і безпосереднього управління технологічними процесами. За вихідними результатами можна виділити: інформаційні та керівні АСУ. За структурою АСУ можуть бути: централізовані та децентралізовані.

В АСУ ТП об'єктами управління є технологічні процеси, що являють собою сукупність способів і засобів проведення конкретних виробничих операцій з виготовлення промислової продукції. У таких системах здійснюють контроль за технологічними параметрами, які визначають режим та якість обробки, стан механізмів та ін. Завданням управління є оптимізація цих параметрів. АСУ ТП характеризується можливістю повного виключення людини, з контуру управління.

Важливою перевагою АСУ ТП є зменшення впливу людського фактору на керований процес, скорочення чисельності штату працівників, економія сировини та витратних матеріалів, ну і, звичайно ж, підвищення якості виробленої продукції, що в кінцевому підсумку впливає на ефективність виробництва.

Сучасний етап розвитку промислового виробництва характеризується переходом до використання передової технології, прагненням домогтися гранично високих експлуатаційних характеристик як діючого, так і проектованого устаткування, необхідністю звести до мінімуму будь-які виробничі втрати. Усе це можливо тільки за умови істотного підвищення якості управління промисловими об'єктами, у тому числі шляхом широкого застосування АСУТП.

Техніко-економічними передумовами створення АСУТП є перш за все зріст масштабів виробництва, збільшення одиничної потужності обладнання, ускладнення виробничих процесів, використання форсованих режимів (підвищені тиски, температури, швидкості реакцій), поява обладнання і цілих виробництв, що функціонують у критичних режимах, посилення і ускладнення зв'язків між окремими ланками технологічного процесу. Останнім часом у розвитку багатьох галузей промисловості з'явилися нові фактори, пов'язані не тільки з підвищенням вимог до кількості і якості продукції, що випускається, але і з напруженістю в області трудових ресурсів. Ріст продуктивності праці, у тому числі шляхом його автоматизації, стає практично єдиним джерелом розширення виробництва. Зазначені обставини висувають нові вимоги до масштабів використання і до технічного рівня АСУТП, до забезпечення їхньої надійності, точності, швидкодії, економічності, тобто до ефективності їхнього функціонування.

Ще одною важливою передумовою застосування АСУТП у промисловості є необхідність реалізації значних потенційних виробничих резервів. Треба зазначити, що технічна база виробництва в більшості галузей промисловості досягла такого рівня розвитку, при якому ефективність виробничого процесу безпосередньо і істотно залежить від якості управління технологією й організації виробництва. Тому на перший план висувається задача оптимального керування технологічними процесами, вирішити яку без розвинутої АСУТП у більшості випадків неможливо.

Технологічні процеси служать матеріальною базою будь-якого виробництва, тому для поліпшення таких характеристик виробництва, як продуктивність, якість (надійність) виготовлюваної продукції, рентабельність, необхідно забезпечити «керованість» процесів і впровадити автоматизовані системи управління ними.

Глава 1. Автоматизовані системи управління технологічними процесами

АСУ ТП – це великий клас систем. Для окремих галузей промисловості виділяються автоматизовані системи, що враховують специфічні особливості виробництва. Основним завданням АСУ ТП є отримання прогнозу перебігу технологічного процесу та реалізація такого плану управління, щоб у певний майбутній момент часу стан технологічного процесу відповідав би деякому екстремальному значенню узагальненого критерію ефективності [1, 15].

1.1 Визначення технологічного процесу

Виробничий процес, тобто процес виробництва будь-якої продукції, являє собою сукупність взаємопов’язаних часткових процесів, які можуть бути допоміжними, обслуговуючими, або основними [50].

До допоміжних процесів належать: виготовлення інструменту, ремонт обладнання, виробництво енергоресурсів, стисненого повітря і т.д. До обслуговуючих процесів належать: технічний контроль якості продукції, транспортне обслуговування, складування предметів праці та виробництва.

Основну частину виробничого процесу становлять технологічні процеси (ТП). На основі технологічного процесу здійснюється зміна форм, розмірів, фізико-хімічних властивостей предметів праці.

Різноманітність технологічних процесів зумовлена такими основними факторами:

• видом сировини, що використовується;

• формою і кількістю необхідних енергоресурсів;

• кількістю стадій (операцій) перетворення сировини; • часовими характеристиками операцій процесу;

• видом готової продукції.

1.2 Класифікація технологічних процесів

За характером протікання технологічні процеси поділяються на безперервні, періодичні й дискретні [1, 15, 46].

Безперервним називається такий процес, в якому кінцевий продукт виробляється до тих пір, поки підводиться сировина, енергія, каталізатори, управляючі дії. До таких процесів можна віднести, наприклад, процеси переробки нафти.

Періодичним є технологічний процес, в якому за порівняно невеликий проміжок часу (години або дні) виробляється певна, обмежена кількість кінцевого продукту. При цьому протягом відведеного проміжку часу періодичний процес є безперервним. Прикладом періодичного процесу може бути технологічний процес плавки металу в доменній печі.

Дискретним називається технологічний процес, в якому кінцевий продукт виробляється за певні проміжки часу, і цей процес можна зупинити, а також продовжити з будь-якої технологічної операції без зниження заданого рівня якості. Можна назвати такі приклади, як: процес складання виробів на конвеєрі, випробування готових виробів і т.п.

Більшість технологічних процесів вимагають чіткого управління ними. У загальному випадку, необхідність управління технологічними процесами диктується такими чинниками:

• необхідність підтримання складу та кількості вхідних компонентів на заданому рівні для забезпечення необхідної якості готового продукту;

• безперервна зміна (налаштування) параметрів технологічного процесу, що пов’язано з постійним зносом знарядь праці та змінним складом сировини;

• пуск і зупинка деяких технологічних процесів вимагає виконання специфічних точно синхронізованих операцій і ін

Методологічною основою створення автоматизованих систем управління технологічними процесами є системний підхід, що забезпечує комплексне вирішення задач найкращого управління технологічними процесами. Необхідність системного підходу визначається тим, що сучасні технологічні процеси - це складні об’єкти управління з великою кількістю вхідних і вихідних змінних. Складні нелінійні зв’язки між змінними, недостатність апріорної інформації про закономірності протікання процесів завдають значних труднощів при створенні адекватних моделей технологічних процесів. Здійснення технологічних процесів має задовольняти декілька найчастіше суперечливих вимог до якості готової продукції та продуктивності установки.

Якість продукції визначається якістю сировини, заготівок, збуреннями, які діють на процес, якістю інструментів, режимами обробки і т. д. Продуктивність установки визначається простоями обладнання, втратами часу при переході від одного виду продукції до іншого, втратами, пов'язаними з проведенням планових та аварійних ремонтних робіт, а також режимом роботи самого устаткування. Оскільки якість і продуктивність взаємозалежні, то системи управління ними можуть працювати тільки спільно. Систему управління якістю організовують на кожній технологічній операції; вона має бути оперативною, працювати в реальному часі. Система управління продуктивністю складається із систем управління режимами технологічних операцій, управління транспортними операціями і міжопераційними запасами.