3. Классификация технологических объектов управления (тоу) и системные принципы решения задач управления сложными технологическими объектами.
КЛАССИФИКАЦИЯ ПРОЦЕССОВ КАК ОБЪЕКТОВ УПРАВЛЕНИЯ
По физико-химическим приемам переработки материалов выделяются следующие виды процессов:
1) Механические процессы: измельчения, дозирования и т.д.
2) Гидромеханические: перемешивание, отстаивание.
3) Тепловые: нагрев, выпаривание.
4) Массообменные: ректификация, аб(ад)сорбция и т.д.
5) Химические: окисление, восстановление, синтез, крекинг и т.д.
По характеру проведения во времени выделяются следующие виды процессов:
а) Непрерывные;
б) Полунепрерывные;
в) Смешанные;
г) Дискретные.
Для непрерывных систем большую часть составляют обычные системы с обратной связью, аналоговый выход составляет 4 –20мА и этот сигнал подается непрерывно на клапан. Клапан непрерывно меняет параметр, который поддерживает состояние. Для полунепрерывных, смешанных, дискретных появляется логика.
Задачи управления м/б простые (поддержание технологических параметров, когда все известно) и сложные (иерархические системы, расширенное управление в штатном ре-жиме, в аварийном режиме, в режиме блокировки, управление пуском и остановом, задачи прогнозирования и мониторинга).
Основными техн.параметрами, по которым осуществляется контроль и управление техн. процессами являются: температура, давление, расход вещества и энергии, межфазный уровень продуктов.
Для сложной системы применяется системный подход, основанный на следующих принципах:
1) Декомпозиция сложной системы на отдельные подсистемы (п/с управления в штатном режиме, п/с ПАЗ, п/с пуска и останова, и тд.).
2) Каждая из этих п/с является сложной => построение отдельных подсистем.
3) Композиция подсистем в единую систему снизу вверх, интеграция подсистем и проверка свойств этой системы. Моделирование п/с, реализация, настройка, отлаживание взаимодействий; сначала отлаживается нижний уровень и междусобойчик, затем второй, затем их взаимодействие др. с др., затем третий, затем его взаимодействие с первыми двумя.
4. Режимы работы автоматизированных технологических комплексов (атк) и их взаимосвязь. Жизненный цикл асутп и атк.
Для анализа задач, возникающих при автоматизации процессов, рассмотрим диаграмму жизненного цикла автоматизированного технологического комплекса (АТК).
ПР – проектирование (нач. от идеи, от решение проблемы);С – строительство;ИС – исходное состояние (предпусковой режим); ГС – горячее состояние (проверяют работают ли клапана, исправны ли датчики); НС – нормальное состояние (штатный режим) ДС – доаварийное состояние (нарушение технологического режима по каким-то причинам. Когда значения вылезли за пределы, но аварийной опасности нет. Как правило оператор успевает что-то подкрутить, переключить на резерв);
ПС – предаварийное (срабатывание защиты) ;АС – аварийное (если упустили предупредительный сигнал);РС – ремонтное (аварии нет, просто ремонт по плану;
КС – конечное.
Жизненный цикл объекта:
Идея (замысел) → техническое задание → проектирование → проект → монтаж → материалоснабжение → физическое воплощение → наладка, пуск → проверка работоспособности → эксплуатация → снятие с эксплуатации.
Типичными задачами при проектировании АСУТП являются:
1) на нижнем уровне управления - задачи разработки и оптимизации работы локальных подсистем регулирования (АСР) и систем противоаварийной защиты (ПАЗ):
- выбор и оптимизация структуры АСР (одноконтурные, каскадные, комбинированные, многосвязные, и т.д.)
-оптимизация параметров управляющих устройств,
- выбор программно-технических средств и оценка показателей надежности АСР и ПАЗ.
2) на втором-третьем уровнях - разработка алгоритмов по решению продвинутых задач управления для штатного режима и обеспечения безопасности при возникновении не штатных ситуаций:
- минимизация материальных- и (или) энергозатрат;
- оперативное управление по ТЭП;
- диагностика отказов датчиков, ИУ;
- защита от последствий отказов (резервирование, и тд);
- принятие мер по снижению отрицательного эффекта от аварий и дефектов оборудования;
- прогнозирование развития аварийных ситуаций и их предупреждение.
3) разработка алгоритмов пуска и планируемых остановов установок
5. Задачи управления и модели подсистем управления нижнего уровня. Автоматические системы регулирования (АСР). Принципы и методы формирования структуры АСР для типовых ТОУ. Выбор параметров контроля, регулирования, сигнализации, защиты и блокировки (КРСЗБ).
Задачи СУ нижнего уровня:
- сбора информации о состоянии технологического объекта управления (ТОУ);
- поддержания технологических параметров на заданных значениях (уставках);
- контроля за технологическими параметрами, для которых не выполняется функция регулирования;
- сигнализации о параметрах, значения которых вышли за пределы, рассматриваемые как предельно допустимые;
- блокировки управлений, являющихся результатом ошибочных действий технологического персонала;
- противоаварийной защиты (ПАЗ) при возникновении аварийных ситуаций.
АСР могут быть одноконтурные – это контур (система с обратной связью), кот. состоит из элементов: выход объекта (измер. параметр)- ПП- НП- КР- ВП- ИУ -вход объекта(управляющий параметр).
ПП- первичный преобразователь; НП- нормирующий преобразователь; КР- контроллер; ВП -выходной преобразователь(усилитель мощности, межсистемный преобразователь), преобразовывает сигнал от КР к виду, воспринимаемому исполнительным механизмом; ИУ- исполнительное устройство.
АСР называется многосвязной, если изменение одной регуоируемой величины влияет на другие регулируемые величины. Многомерные объекты и ситемы имеют несколько входов и выходов.
Каскадные АСР – наиболее распространенные, с помощью нее удается ликвидировать одно наиболее сильное возмущение. Например нужно поддерживать заданное значение температуры выхода. В качестве возмущения – расход топлива. Находят промежуточную величину в объекте (расход топлива) и ее стабилизируют, т.е. клапан, который там установлен будет замкнут на расход. Но тогда температура не контролируется. Тогда используется 2-й контур со своим регулятором, который является внешним по отношению к 1-ому. И он уже регулирует температуру. 1-й регулирует расход- называется стабилизирующим регулятором. 2-й регулятор - температуру - называется корректирующим. Он дает уставку 1-му регулятору.
Применяется 2 типа моделей систем управления нижнего уровня:
1)в терминах входа-выхода; 2)в терминах пространства состояний.
Пространство состояний — фазовое пространство, в котором роль переменных выполняют переменные и их производные.
Объект описывается матричными уравнениями, вида: X=AX+BU; Y =CX+DU
X — фазовые координаты или переменные состояния; Y — наблюдаемая или измеряемая переменная; А — матрица коэффициентов (nxm); В — матрица входов или управлений (nxg); и — матрица связи (рxn); D — матрица обхода (рхq). Последняя не =0 только в случае, если имеются управляющие устройства, порядок числителя которых >= порядка знаменателя. На основе этой модели анализируются ряд фундаментальных свойств, таких как управляемость, наблюдаемость и др., а также решаются задачи синтеза регуляторов нижнего уровня(синтез модальных регуляторов; аналит. конструирование регуляторов; обеспечение автономности п./сист.)
Выбор параметров определяется. 1) задачами управления, контроля — определяются технологией. 2) НТД (ОПВБ, ГОСТы на надежность, на АСУ)
Для управления — параметры, определяющие протекание технологического процесса, определяются спецификой объекта (для печей — температура сырья на выходе, удельные затраты топлива, давление, наличие паров). Для сигнализации — информативные параметры с точки зрения прогнозирования аварийного события (технологические нормативы, неявно заданные параметры и т.д.). Для блокировки выбираются параметры, которые связаны с действием персонала (защита от неверных действий оператора). М/б специфичные параметры, которые либо дополняют, либо обеспечивают функциональную избыточность.