2598

даточной функцией WЛЧ (рис. 6.47). При этом линейная часть системы состоит из всех элементов АСР, за исключением релейного, т.е. из объекта регулирования, измерительного устройства, различных внутренних связей и др.

Одновременно в структурной схеме имеется обратная связь через звено чистого запаздывания e-pτ, где запаздывание τ равно сумме

запаздываний объекта регулирования об и датчика Д .

В схеме на рис. 6.47 введены относительные величины. Относительное значение регулируемой величины представлено

где xнач - установившееся значение регулируемой величины, соответствующее минимальной позиции регулирующего воздействия (команды

управления); хкон - установившееся значение регулируемой величины, соответствующее максимальной позиции регулирующего воздействия (команды управления); А хкон хнач - зона регулирования.

Рис. 6.47. Структурная схема релейной АСР с запаздыванием

Зона неоднозначности в относительных координатах 2 2b/ A, задаваемое значение регулируемой величины 1 (x1 xнач )/ A.

Очевидно, 0<φ2<1, т.к. из (6.56) следует, что при х2 → хнач φ2→0, а при х2 → хкон φ2→1. Следовательно, зона регулирования в этом случае

A 1 0 1.

616

Тогда размах автоколебаний в относительных величинах будет

В абсолютных величинах размах автоколебаний будет ранен 2 * A . Период автоколебаний можно определить по формуле

/T . Для больших значений этого отношения релейные АСР могут оказаться непригодными. Практика показывает, что для удовлетворительной работы релейной АСР необходимо, чтобы / T 0,2.

6.6. Автоматизированные системы управления технологическими процессами (АСУ ТП) и гибкие автоматизированные производства (ГАП). Робототехнические системы (РТС)

6.6.1. Общая характеристика АСУ ТП

АСУ ТП - это человекомашинная система, обеспечивающая эффективное функционирование технологического объекта на основе быстрой и точной информации о состоянии объекта и выработки соответствующих команд управления объектом с помощью средств автоматизации и вычислительной техники. При этом под технологическим объектом управления (ТОУ) понимается технологическое оборудование и реализуемый в нем технологический процесс производства или транспортирования продукции.

618

Совокупность совместно функционирующих АСУ ТП и ТОУ называется автоматизированным технологическим комплексом (АТК).

АСУ ТП отличает преобладание задач оперативного управления ТОУ над задачами организационно-экономического типа, характерных для автоматизированных систем управления предприятием (АСУ П) объединением (АСУ О), отраслью (О АСУ), т.е. АСУ ТП функционирует в одном темпе с управляемым объектом, или в реальном масштабе времени.

Социально-экономические причины появления АСУ ТП обусловлены тем, что все труднее становится найти работников на тяжелые, малопроизводительные ручные производственные операции. Поэтому АСУ ТП призваны облегчить труд человека, в том числе в условиях, опасных и вредных для здоровья человека.

АСУ ТП, в отличие от АСР локального типа, решает задачи управления технологическим процессом как единым целым во всей сложности взаимосвязи его структур и параметров, автоматизируя принятие решений по оптимальному управлению этим процессом. Локальные АСР, входящие в состав АСУ ТП, автономно реализуют в последней функции управления отдельными частями технологического процесса или оперативного контроля за их режимами и параметрами.

Наибольшее распространение получили три принципа построения АСУ ТП: централизованное управление, супервизорное управление, децентрализованное (распределенное) управление. При централизованной АСУ ТП надежность определяется надежностью УСО и УВМ, при выходе их из строя нормальное функционирование технологического оборудования невозможно.

Более широкими возможностями и надежностью обладают АСУ ТП, в которых непосредственное регулирование объектами осуществляется локальными АСР, а УВМ выполняет функции «советчика» в так называемом супервизорном режиме. Основная задача супервизорного управления - автоматическое поддержание процесса вблизи оптимальной рабочей точки, а также возможность оператора использовать плохо формализованную информацию о ходе технологического процесса, вводя через УВМ коррекцию установок, параметров алгоритмов регулирования в локальные контуры (например, при изменении состава сырья и состава вырабатываемой продукции). При большом числе каналов контроля, регулирования и управления, большой длине линий связи в АСУ ТП децентрализация структуры системы становится принципиальным методом повышения живучести АСУ ТП, снижения стоимости и эксплуатационных расходов.

Наиболее перспективным направлением распределенных АСУ ТП признано автоматизированное управление процессами с распределенной архитектурой на базе функционально-целевой и топологической децентрализаций объекта управления.

619

Функционально-целевая децентрализация означает разделение сложного процесса или системы на меньшие части - подпроцессы или подсистемы по функциональному признаку (например, переделы технологического процесса, режимы работы агрегатов и т.д.), имеющие самостоятельные цели функционирования.

Топологическая децентрализация означает возможность территори-

ального (пространственного) разделения процесса на функционально-це- левые подпроцессы, чтобы минимизировать суммарную длину линий связи, образующих вместе с локальными системами управления сетевую структуру.

Технической основой современных распределенных систем управления являются микропроцессоры и микропроцессорные системы (МПС). Использование МП и МПС (в т.ч. микроЭВМ) для решения задач распределенных АСУ ТП дает возможность достичь следующих целей:

1)заменить аналоговые технические средства на цифровые там, где переход к цифровым средствам повышает точность, расширяет функциональные возможности и увеличивает гибкость системы управления;

2)заменить технические средства с жесткой логикой на программируемые устройства или контроллеры;

3)заменить одну мини-ЭВМ системой из нескольких микроЭВМ, когда необходимо обеспечить децентрализованное управление производством или технологическим процессом с повышенной надежностью и живучестью или когда возможности мини-ЭВМ полностью не используются.

6.6.2. Назначение, цель и функции АСУ ТП

АСУ ТП предназначена для целенаправленного управления технологическим процессом и обеспечения информацией смежных и вышестоящих автоматизированных систем управления. АСУ ТП выдает разнообразную выходную информацию. Например, технологи-операторы получают оперативную информацию в едином темпе с технологическим процессом, что позволяет им своевременно вмешаться в ход процесса, корректировать режимы и нагрузки машин и установок.

Целью АСУ ТП является обеспечение оптимального в определенном смысле функционирования технологического процесса, например получения максимального экономического эффекта с учетом плановых, экономических и технических ограничений. В частном случае это может быть максимальная производительность технологического процесса при заданном качестве продукта и исходного сырья, минимальная себестоимость продукции, минимальный расход дорогого сырья и т.п.

Функцией АСУ ТП называется совокупность ее действий, направленная на достижение определенной цели. Различают три функции АСУ ТП:

620

управляющую, информационную и вспомогательную. К управляющей функции АСУ ТП относятся: программное изменение режима (пуск-оста- нов машин и агрегатов, аварийные блокировки, распределение нагрузки между агрегатами и т.п.); логическое управление, например определение «узкого места» и согласование нагрузок технологического оборудования; оптимизация установившегося режима технологического процесса в целом и режимов отдельных видов технологического оборудования; оптимальное управление переходными режимами управляемого процесса; автоматическое регулирование и стабилизация отдельных параметров технологического процесса с помощью одноконтурных, комбинированных и многосвязанных АСР; реализация управления исполнительными органами.

6.6.3. Упрощенная структура комплекса технических средств (КТС) АСУТП

Структура КТС АСУ ТП представлена на рис. 6.49. На ней выделены устройства сопряжения УВМ с управляемым объектом (УСО), устройства сбора, передачи и преобразования информации, устройства выдачи сигналов из УВМ на объект управления.

Сигналы в УСО и каналы связи. Диапазоны изменения информационных параметров в сигналах унифицированы и утверждены соответствующими стандартами.

Коммутаторы сигналов. Применение коммутаторов сигналов способствует сокращению объема оборудования, необходимого для организации приема и выдачи сигналов. По функциональному значению коммутатор подключает раздельно во времени выходы и входы нескольких датчиков и исполнительных устройств ко входам приемников информации.

Преобразователи. УСО содержат в качестве основных устройств не только коммутаторы, но и преобразователи АЦП и ЦАП.

6.6.4. Технические средства распределенных АСУ ТП

Внедрение микропроцессоров в самые различные устройства на всех уровнях управления создало насыщение цифровым «интеллектом» большого числа отдельных устройств, составляющих аппаратную основу АСУ ТП. Главное преимущество распределенных АСУ ТП - повышение их надежности, а также снижение стоимости линий связи - позволяет уверенно внедрять АСУ ТП там, где недоверие к вычислительной технике как средству автоматизации заставляло сохранять аналоговые регуляторы, приборные щиты и пульты ручного управления. Один из факторов повышения надежности распределенных АСУ ТП состоит в том, что возможна обра-

621

ботка данных в месте их возникновения и потребления без передачи в центральную ЭВМ.

Появилась возможность применять вместо одной управляющей ЭВМ несколько процессоров, распределяя между ними прикладные функции и размещая там, где это выгодно, на различных участках технологического процесса.

Основная конструктивная единица аппаратуры комплекса - станция, которую можно установить в том или ином месте на объекте управления или на операторском пункте и подключить к локальной сети.

Локальные технологические станции (ЛТС) являются средством нижнего уровня управления технологическим процессом и служат для автономного управления некоторым его участком; вместе с тем подключение станции к общей сети передачи данных распределенной АСУ ТП позволяет передавать информацию на центральный пункт управления, групповые операторские и координирующие станции и получать от них задания. Программные модули, хранящиеся в постоянной памяти ЛТС, обеспечивают ПИД-регулирование, каскадное соединение контуров, ввод управления по возмущению, реализуют логическое управление.

Операторские станции (ОПС) выполняют функции связи между опе ратором и объектом, а также оператором и средствами АСУ ТП. С расширением функций АСУ ТП все большее значение приобретает повышение надежности технических средств. Эго повышение достигается как путем использования отказоустойчивых (резервированных) средств, так и путем восстановления (иногда автоматического) работоспособности технических средств и программного обеспечения.

622

6.6.5. Микропроцессорные автоматические устройства

Микропроцессорные комплекты (МПК) различной структуры используются для построения таких типовых средств управления, как программируемые контроллеры (ПК), основной функцией которых является формирование команд управления производственным агрегатом или технологическим процессом; микроЭВМ, предназначенных для выполнения ин- формационно-управляющих функций в автоматизированных системах управления и решения специальных задач, и микропроцессорных систем, структура которых максимально соответствует алгоритму функционирования.

В приборах для измерения электрических и неэлектрических величин встроенные микропроцессоры выполняют контроллерные, вычислительные и сервисные функции, позволяющие улучшить технические характеристики этих приборов, придать им новые свойства.

Программируемыми микропроцессорными контроллерами (ПМК)

или сокращенно микроконтроллерами называют приборы, формирующие команды управляющих воздействий на производственный агрегат или процесс путем логических или логических и арифметических операций преобразования входных сигналов. Достоинством их является то, что выпускаемые промышленностью ПМК доступны в эксплуатации персоналу, не имеющему знаний в области программирования. По замыслу разработчиков их пользователь не программирует находящееся в контроллере цифровое вычислительное устройство, а лишь описывает свою задачу в привычной для него форме.

Логические ПМК, предназначенные для замены таких устройств электроавтоматики, как релейные и логические схемы, командные аппараты, нашли широкое распространение в практике автоматизации технологических процессов и положили начало развитию других направлений применения ПМК (регулирующего и координирующего типов). Главный недостаток аппаратных релейно-контактных устройств управления по принципу жесткой логики - недостаточная гибкость при внесении изменений в алгоритм, введении новых функций и др. ПМК логического управления обладают существенным преимуществом при использовании их для решения сложных задач управления (например, при наличии 20 и более реле в заменяемой релейно-контактной схеме).

Промышленностью выпускаются: логико-программные многоканальные контроллеры - ломиконты (сер. Л-110, Л-112, Л-120, Л-122), регулирующие контроллеры - ремиконты (Р-100, Р-110, Р-122, Р-130, Р-131, Р-200-215, КР-300). Важной особенностью этих контроллеров является развитое внутреннее программное обеспечение, не требующее использования внешних программных средств - операционных систем,

625