1.5 Загальна структура сучасних асу тп
При побудові засобів сучасної промислової автоматики (зазвичай у вигляді АСУ ТП) використовується ієрархічна інформаційна структура із застосуванням на різних рівнях обчислювальних засобів різної потужності [1, 15, 52] (рис.1.1).
П
римітки:
ВП – вимірювальні перетворювачі (датчики);
ВМ – виконавчі механізми;
ПЛК – програмований логічний контролер; ПрК – програмований (настроюваний) контролер; ІнП – інтелектуальні вимірювальні перетворювачі; ІнВП – інтелектуальні виконавчі пристрої; Модем – модулятор / демодулятор сигналів; ТЗ – технічне забезпечення (апаратна частина, «залізо»); ІЗ – інформаційне забезпечення (бази даних); ПЗ – програмне забезпечення; КЗ – комунікаційне забезпечення (послідовний порт і ПЗ); ПЗК – програмне забезпечення користувача; ПЗВ – програмне забезпечення виробника; Інд – індикатор.
Рис. 1.1. Типова функціональна схема сучасної АСУ ТП
1.6 Схеми управління в асу тп
Управління в режимі збирання даних
Найбільш простою схемою управління технологічним процесом є схема управління в режимі збирання даних [1, 15, 53] (рис. 1.2). При цьому АСУ під'єднується до технологічного процесу способом, обраним інженером-технологом.
Підключення здійснюється за допомогою пристрою сполучення з об’єктом (ПСО). Вимірювані величини перетворюються в цифрову форму. Ці величини за відповідними формулами перетворюються в
Лістинг
Дисплей
Накопичувачі на
MD
ПЗО
ЕОМ
Результати
Вимірюванняяяяяя
Процес
Вихід
Вхід
Рис. 1.2. Схема управління технологічним процесом в режимі збирання даних
технічні одиниці. Наприклад, для обчислення температури, що заміряється за допомогою термопари, може використовуватися формула
T = AU2 + BU + C,
де U – напруга на виході термопари; A, B і C – коефіцієнти.
Результати обчислень реєструються пристроями виведення АСУ ТП для подальшого вивчення технологічного процесу в різних умовах його проходження. На основі цього можна побудувати або уточнити математичну модель керованого процесу.
Даний режим не чинить прямої дії на технологічний процес. Така схема використовується як одна з обов'язкових підсхем управління в інших більш складних схемах управління технологічними процесами.
Управління в режимі порадника оператора
У цій схемі АСУ ТП працює в темпі виконання технологічного процессу [1, 15, 53]. Контур управління розімкнений, тобто виходи АСУ ТП не пов’язані з органами, які керують технологічними процесами. Управляючі дії здійснюються оператором-технологом, який отримує рекомендації від ЕОМ (рис. 1.3).
Усі необхідні управляючі впливи обчислюються за допомогою ЕОМ відповідно до моделі технологічного процесу, результати обчислень надаються оператору в друкованому вигляді (або у вигляді повідомлень на дисплеї). Оператор управляє процесом, змінюючи установки регуляторів.
Регулятори є засобами підтримки оптимального управління технологічним процесом. Оператор виконує роль слідкуючої та управляючої ланки, зусилля якої АСУ ТП безперервно і безпомилково направляє на оптимізацію виконання технологічного процесу.
Управляючі
та обчислювані впливи
Оператор- технолог
Управляючі впливи
АСУ ТП
Процес
Вхід
Вихід
Рис. 1.3. Управління в режимі порадника оператора
Основний недолік цієї схеми управління полягає у присутності людини в ланцюзі управління. За великої кількості вхідних і вихідних змінних таку схему управління не можна застосовувати внаслідок обмежених психофізичних можливостей людини. Проте управління цього типу має і переваги. Воно задовольняє вимоги обережного підходу до нових методів управління.
Режим порадника забезпечує гарні можливості для перевірки нових моделей технологічних процесів. АСУ ТП може відстежувати виникнення аварійних ситуацій, так що оператор має можливість приділяти більше уваги роботі з установками, при цьому АСУ ТП може стежити за більш великою кількістю аварійних ситуацій, ніж оператор.
Супервізорне управління
У цій схемі АСУ ТП використовується в замкнутому контурі, тобто установки регуляторам задаються безпосередньо системою [1, 15, 53] (рис. 1.4).
Рис. 1.4. Супервізорне управління
Завдання режиму супервізорного управління полягає у підтримці технологічного процесу поблизу оптимальної робочої точки через оперативний вплив на нього. В цьому є одна з головних переваг такого режиму. Ця схема відрізняється від схеми режиму порадника оператора тим, що після обчислення значень уставок останні перетворюються у величини, які можна використовувати для зміни налаштувань регуляторів.
Якщо регулятори сприймають напруги, то величини, що виробляються ЕОМ, мають бути перетворені в двійкові коди, які далі за допомогою цифро-аналогових перетворювачів перетворюються на напруги відповідного рівня і полярності. Оптимізація технологічного процесу в цьому режимі виконується періодично, наприклад, один раз на день. Для цього оператор має ввести нові коефіцієнти до рівнянь контурів управління.
Наведемо приклади АСУ ТП, що працюють у супервізорному режимі.
1. Управління автоматизованою транспортно-складською системою. У такій системі ЕОМ видає адреси стелажних комірок, а система локальної автоматики кранів-штабелерів відпрацьовує
переміщення їх у відповідно до їх адрес.
2. Управління плавильними печами. ЕОМ виробляє значення установок для управління режимами роботи електричних печей, а локальна автоматика за командами ЕОМ управляє перемикачами трансформаторів.
3. Верстати з числовим програмним управлінням.
Безпосереднє цифрове управління
У режимі безпосереднього цифрового управління (БЦУ) сигнали, які використовуються для надання дії управляючіхорганів, надходять із АСУ ТП, а регулятори взагалі виключаються з системи управління [1, 15, 53]. Регулятори – це аналогові обчислювачі, які вирішують одне рівняння в реальному масштабі часу, наприклад такого вигляду:
де y може позначати положення клапана;
,
,
–
параметри налаштування, завдяки яким
регулятор можна налаштувати на роботу
в різних режимах;
х – різниця між вимірюваною величиною і уставкою. Якщо х не дорівнює нулю, то для виведення процесу на
заданий режим потрібне переміщення управляючого органу.
Якщо регулятор використовує для своєї роботи два перші члени рівняння, він називається пропорційним.
Якщо використовуються три перші члени, то регулятор – пропорційно-інтегральний, якщо – всі члени рівняння, то регулятор – пропорційно-інтегрально-диференціальний.
Концепція БЦУ дає змогу замінити регулятори з уставкою, що задається. Розраховуються реальні дії, які у вигляді відповідних сигналів передаються безпосередньо на управляючі органи.
Схема БЦУ показана на рис.1.5.
Уставки вводяться в АСУ оператором або ЕОМ, що виконує розрахунки з оптимізації процесу. В оператора має бути можливість змінювати установки, контролювати деякі вибрані змінні, змінювати діапазони допустимої зміни вимірюваних змінних, змінювати параметри налаштування, а також має бути доступ до управляючої програми. Одна з головних переваг
КО – керований об'єкт, Д – датчик
Рис. 1.5. Безпосереднє цифрове управління
режиму БЦУ полягає у можливості зміни алгоритмів керування через внесення змін до управляючої програми. Основний недолік схеми безпосереднього цифрового управління – можливість відмови всієї системи у разі відмови ЕОМ.
Перспективні методи управління
Особливості сучасних технологічних процесів накладають певні вимоги до АСУ ТП [1, 15, 54], а саме:
• оскільки на протікання технологічних процесів найбільший вплив мають спостережувані (але некеровані) збурення, то необхідне управління за збуренням;
• оскільки для опису технологічних процесів використовуються різні рівняння, заздалегідь невідомі або відомі наближено, то в АСУ ТП має здійснюватися побудова математичної моделі, яку слід безперервно автоматично уточнювати;
• алгоритм управління не має суттєво змінюватися в разі зміни кількості враховуваних чинників, що дає змогу забезпечити введення в дію АСУ ТП через поступове доповнення новими змінними;
• у системи має бути висока надійність.
Перелічені вимоги мають задовольнятися в розглянутих нижче методах управління.
Управління за збуренням
Схема управління за збуренням, зображена на рис. 1.6:
Рис. 1.6. Управління за збуренням
Збурення n(t), що діє на вході технологічного процесу, за допомогою датчиків (Д) надходить в АСУ ТП, де вводиться в модель технологічного процесу. Отримувану на виході моделі оцінку технологічного процессу x*, порівнюють з установкою Х0. Різниця Е надходить на керований об’єкт (КО) як вплив управління. Основна перевага такої схеми управління полягає в швидкій реакції системи на збурення. Основний недолік – використання в складі АСУ ТП фіксованої моделі технологічного процесу.
Адаптивне управління з ідентифікатором
Як правило, технологічні процеси не стаціонарні, тож оператор A, що зв’язує збурення з виходом технологічного процесу, змінюється з часом. Це вимагає постійного автоматичного підстроювання моделі технологічного процесу щодо змінюваних збурень. Такий режим реалізується адаптивною схемою управління з ідентифікатором у колі зворотного зв’язку (рис. 1.7).
АСУ ТП
Уставки
Вимірювання
Вимірювання
Вихід
Вхід
КО
Д
Д
Процес
Рис. 1.7. Адаптивне управління з ідентифікатором
Відповідно до цієї схеми ідентифікатор, що входить до складу АСУ ТП, аналізує за допомогою датчиків збурення і відхилення, постійно уточнює параметри технологічного процесу, виробляє управляючі впливи, що оптимізують протікання технологічного процесу. Ідентифікатор вимагає, щоб у технологічний процес постійно вносились якісь збурення, якщо їх немає, то система пребуває нібито в невизначеному стані.
Така схема застосовується для керування як статичними, так
і динамічними технологічними процесами. Побудова (уточнення) моделі відбувається в реальному масштабі часу.
Адаптивне управління з еталонною моделлю
Якщо у схемі як ідентифікатор використовують еталонну модель технологічного процесу, тобто таку модель, відповідно до якої необхідно забезпечити протікання технологічного процесу, то така схема управління називається адаптивною з еталонною моделлю. У такій схемі ідентифікується не технологічний процес у цілому, а тільки та його частина, яка реагує на відхилення реакції об’єкта від реакції моделі. Системи з еталонною моделлю поширені в управлінні динамічними технологічними процесами, де необхідно дістати заданий параметр, інваріантний до змін вхідних величин.