Глава IV. Проектирование автоматизированных систем управления

1. Основные принципы автоматизации управления технологическими процессами

Назначение любой автоматизированной системы управления, ее необходимые функциональные возможности, желаемые технические характеристики и другие особенности в решающей степени опреде­ляются тем объектом, для которого создается данная система. Автоматизация управления стала возможной благодаря наличии современных технических средств, математического и организаци­онного обеспечения, а также благодаря экономичности автомати­зации управленческих процессов и гибкости производственной ин­формации. Это позволяет выделить некоторые принципы, определя­ющие возможность создания АСУ, организацию и функционирование АСУ, а также принципы организации производственного процесса. Функционирование АСУТП должно обеспечивать соблюдение всех этих принципов. Принципы организации автоматизированного упра­вления определяют технологию управления в условиях АСУ.

К этим принципам относятся: повышение экономической эф­фективности производства - при несоблюдении этого принципа ав­томатизация становится неэкономичной, нецелесообразной; общее упорядочение - в результате мер по упорядочению организации производства поднимается на более высокий качественный уровень; принцип соответствия - означает гармоничное соответствие между потребностями автоматизируемого объекта и возможностями АСУТП; принцип единообразия - означает унификацию и стандартизацию элементов АСУТП.

Унификация элементов АСУТП упрощает и удешевляет процессы проектирования, процессы эксплуатации и облегчает преемственность при создании новых АСУ.

Наибольшего повышения эффективности процессов проектиро­вания АСУТП можно добиться, если организация проектирования будет эффективна на всех этапах создания проекта.

Основными целями автоматизации технологических процессов являются: увеличение производительности технологического обо­рудования с одновременным уменьшением числа рабочих при задан­ных объеме, качестве и номенклатуре продукции; экономия топли­ва, сырья, материалов и других производственных ресурсов; мак­симальное снижение затрат живого труда при заданных других экономических показателях производства; увеличение объема про­дукции за счет роста производительности технологического обо­рудования без увеличения затрат живого труда; увеличение ка­чества продукции; достижение оптимальной загрузки (оптимальных режимов работы) технологического оборудования.

Такое многообразие целей автоматизации требует создания не только автоматизированных (АСУТП) и автоматических (САУ)систем управления технологическими процессами, но и автоматиза­ции подготовительных и вспомогательных производственных про­цессов (разработки систем проектирования САПР, систем автома­тизации программирования САП, систем автоматизация оперативно-диспетчерского управления (АСОДУ).

Автоматизация управления технологическими процессами реа­лизуется с помощью автоматизированных систем управления, кото­рые характеризуются большим или меньшим участием человека в выработке решений и их реализации, и систем автоматического управления, работающих без участия человека. Как показывает опыт автоматизации технологических процессов, САУ экономически целесообразно использовать на нижних уровнях систем автомати­зации для управления отдельными агрегатами, станками, парамет­рами технологического процесса и т.п.

Сложность, многообразие, многосвязанность параметров сов­ременных технологических процессов технически и экономически оправдывают передачу части функций управления и общего контро­ля человеку-оператору, т.е. создание человеко-машинных систем управления, получивших название "Автоматизированные системы управления технологическими процессами" (АСУТП).

Под технологическим объектом управления (ТОУ) понимается совокупность основного и вспомогательного оборудования, необходимого для реализации заданного технологического процесса, и сам технологический процесс. В свою очередь, совокупность АСУТП и ТОУ составляет автоматизированный технологический ком­плекс (АТК). Таким образом, по отношению к АТК система управ­ления АСУТП является лишь составной частью, т.е. подсистемой. В связи с этим цели автоматизации могут быть достигнуты при комплексном, системном подходе к решению задач автоматизации технологических процессов. Это означает, в частности, что на­учно-технический уровень автоматизации надо оценивать по пока­зателям технической и экономической эффективности АТК в целом. Естественно, что технико-экономическая эффективность АТК зави­сит от показателей технической и экономической эффективности проекта АСУТП как подсистемы. Степень достижения поставленных целей принято характеризовать с помощью так называемого крите­рия управления, т.е. показателя, достаточно полно характеризу­ющего качество ведения технологического процесса и принимающе­го числовые значения в зависимости от вырабатываемых системой управляющих воздействий. В строгой, обычно математической, фор­ме критерий управления конкретизирует цель создания данной си­стемы. Одна из общих постановок вопроса о критерии управления сводится к стремлению получить наибольший экономический эффект, который определяется разностью стоимостей получаемой готовой продукции и сырья, энергии, рабочей силы и прочих затрат. Оп­тимальным будет такое управление процессом, которое позволит добиться максимального значения этой разности. Как правило, об­щий критерий экономической эффективности управления технологи­ческим процессом неприменим из-за сложности определения необ­ходимых количественных зависимостей в конкретных условиях; в таких случаях формируют частные критерия оптимальности, учиты­вающие специфику управляемого объекта и дополненные условными ограничениями.

Такими частными критериями, например, могут быть: макси­мальная производительность агрегата при определенных требова­ниях к качеству продукции, условиях эксплуатации оборудования и т.д.; минимальная себестоимость при выпуске продукции в за­данном объеме и заданного качества; минимальный расход некото­рых компонентов.

Чтобы добиться желаемого (в том числе оптимального) хода технологического процесса, в системе управления им необходимо в нужном темпе выполнять множество различных взаимосвязанных действий: собирать и анализировать информацию о состоянии про­цесса, регистрировать значения одних переменных и стабилизиро­вать другие, принимать и реализовывать соответствующие решения по управлению и т.д. Именно эта "деятельность" системы управ­ления называется функционированием, т.е. выполнением его уста­новленных функций (рис. 15).

Функция АСУТП - это совокупность действий системы, напра­вленных на достижение частной цели управления.

Функции АСУТП в целом как человеко-машинной системы сле­дует отличать от функций, выполняемых комплексом технических средств системы (в том числе средствами вычислительной техники). Неправильно рассматривать вместо функций всей системы (включая человека) только совокупность действий, осуществляе­мых автоматически ее техническими средствами. Хотя значение подобных действий, реализуемых без участия человека, очень ве­лико, однако они не характеризуют полностью поведение и воз­можности всей АСУТП.

Как правило, в системе за человеком (оператором, диспет­чером) сохраняется главная, определяющая роль в выполнении на­иболее сложных и ответственных функциональных задач. Поэтому необходимо рассматривать весь комплекс функций АСУТП, включая те из них, которые осуществляются при участии персонала.

Функции АСУТП подразделяются на информационные, управляю­щие и вспомогательные (внутрисистемные функции по обеспечению нормального функционирования КТС АСУТП, хранение информации, контроль и диагностика состояния КТС и т.д.).

К информационным относятся такие функции АСУТП, результа­том выполнения которых является представление оператору систе­мы или какому-либо внешнему получателю информации о ходе упра­вляемого процесса. Характерными примерами информационных функ­ций АСУТП являются: контроль за основными параметрами, т.е. не­прерывная проверка соответствия параметров процесса допустимым значениям и немедленное информирование персонала при возникно­вении несоответствий; измерение или регистрация по вызову опе­ратора тех параметров процесса, которые его интересуют; информирование оператора (по его запросу) о производственной ситуации на том или ином участке объекта управления в данный момент; фиксация времени отклонения некоторых параметров процесса за допустимые пределы; вычисление достигнутых технико-экономических показателей работы технологического объекта; периодическая регистрация измеряемых параметров и вычисляемых показателей; обнаружение и сигнализация наступления опасных (предварительных, аварийных) ситуаций.

Рис. 15. Принцип построения систем управления технологическим объектом

Выполняя эти основные информационные функции, АСУТП своевременно обеспечивает своего оператора или вышестоящую систему сведениями о состоянии и любых отклонениях от нормального протекания технологического процесса.

Управляющие функции АСУТП включают в себя действия по выработке и реализации управляющих воздействий на объект управления.

К основным управляющим функциям относятся: стабилизация переменных технологического процесса; программное изменение режима процесса по заранее заданным законам; защита оборудова­ния от аварий; формирование и реализация управляющих воздействий, обеспечивающих достижение или соблюдение режима, оптима­льного по технологическому или технико-экономическому критерию; распределение материальных потоков и нагрузок между агрегатами; управление пусками и остановками агрегатов; управление транспортно-складскими и погрузочно-разгрузочными комплексами и др.

Перечень всех функций, выполняемых конкретной АСУТП (т.е. ее функциональный состав), характеризует внешние, потребитель­ские возможности данной системы. Чтобы раскрыть ее внутреннее строение, обычно пользуются понятиями функциональной, техниче­ской и организационной структур АСУТП. Каждая из этих структур представляет собой определенный аспект системы, в котором про­является та или иная грань ее внутреннего строения, т.е. один из возможных способов представления системы как совокупности ее частей и связей между ними.