Учебное пособие 966

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Воронежский государственный технический университет

А.А. Кисурин В.Д. Беспаленко

АВТОМАТИЗИРОВАННОЕ УПРАВЛЕНИЕ В ТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМАХ

Учебное пособие

Воронеж 2003

3

УДК 681.4

Кисурин А.А., Беспаленко В.Д. Автоматизированное управление в технических системах: Учебное пособие. Воронеж: Воронеж. гос. техн. ун-т. 2003. 89c.

В учебном пособии рассматриваются иерархия систем управления, техническое обеспечение АСУТП, модели объектов управления, задачи, решаемые в подсистеме управления технологического процесса, программное обеспечение, структура

исостав программного обеспечения, информационные и интеллектуальные банки данных, перспективы.

Издание соответствует рабочей программе дисциплины ―Автоматизированное управление в технических системах‖ и предназначена для студентов специальности 210100 ―Управление

иинформатика в технических системах‖ дневной формы обучения. Учебное пособие подготовлено на магнитном носителе в

редакторе MS WORD 97.0

Табл.2.Ил.18.Библиогр.: 7 назв.

Научный редактор: д-р техн. наук В.Л. Бурковский Рецензенты: ЗАО НПК(о) <<Энергия>>( вицепрезидент канд. техн. наук, доцент

Г.Д. Лившин );

зав. кафедрой электротехники Воронежского агроуниверситета канд. техн. наук, доцент В.В. Картавцев

Издается по решению редакционно-издательского совета Воронежского государственного техн. университета

Кисурин А.А., Беспаленко В.Д., 2003 Оформление Воронежский государственный

технический университет, 2003

4

ВВЕДЕНИЕ

Рост объема производства, постоянное увеличение номенклатуры выпускаемой продукции, механизация и автоматизация производственных процессов, повышение качества и надежности изделий ведут к катастрофическому возрастанию количества информации, необходимой для принятия решений, что усложняет управление и вызывает рост аппарата управления.

Здесь надо иметь в виду, что эффективность управления не всегда зависит от количества работников в аппарате управления, как это видно на рис. 1.

Рис. 1.

Но несмотря на это имеет место быстрый, опережающий рост численности управленческого аппарата. Если сейчас не принять соответствующие меры, то в самом ближайшем времени все население земли будет занято в сфере управления, рис. 2.

Рис. 2.

Для того, чтобы управлять нужно получать своевременно

информацию, обрабатывать ее, анализировать результаты и передавать для использования.

Чтобы перерабатывать огромное количество информации, нужно привлекать большое количество людей или применять средства механизации и автоматизации управленческого труда.

Не всегда простое увеличение численности управления может привести к улучшению управления. При очень большом количестве персонала появится дублирование, потеря ответственности, путаница, удлинятся сроки прохождения информации, появятся искажения и новая ненужная информация и т.д., что создаст замкнутою систему в аппарате управления «Сам на себя».

За последние 100 лет производительность труда рабочих увеличилась в 15 раз, а служащих только в 2 раза. Это говорит о том, что механизации и автоматизации труда служащих до сегодняшнего дня не придавалось должного значения.

В связи с этим, например, численность служащих за 50 лет в США росла почти в 3 раза быстрее, чем количество рабочих.

Появление в аппарате управления каждого нового человека связано с возникновением дополнительной информации (его мнения, решения), которые кто-то должен рассмотреть, проанализировать и принять решение, т.е. связано с необходимостью дополнительного расширения состава управления. Это понятно, потому что метод «один с сошкой и семеро с бумажкой» экономически не оправданный.

Есть много очень задач для решения которых требуется высокая оперативность, где количество работников не влияет на качество управления.

Во многих случаях при управлении сложными процессами человек уже не может обеспечить ни оперативность, ни точность принятия решения, например, при составлении расписания работ.

Следовательно, для повышения эффективности управления возникает новый, главный путь - механизация и автоматизация управленческого труда. Это прежде всего механизация и автоматизация выявления информации, ее сбора и фиксации, передачи и преобразования а также принятия решения и передачи для исполнения.

Зачастую из-за сложности и несвоевременного получения достоверной информации управление ведется, как говорят, в условиях недостаточности информации, что равносильно управлению кораблем с неисправными навигационными приборами.

1. ИСТОРИЯ АСУТП

За прошлую пятилетку в нашей стране создано 300 АСУ на предприятиях, что обещает дать огромный эффект.

Придавая исключительное значение повышению качества управления и экономической эффективности производства.

Необходимость применения машинной обработки информации обуславливается следующими причинами:

–Необходимость повышения оперативности в управлении из-за интенсификации производственных процессов(повышение скоростей работы машин, увеличение объема работ, кооперация и др.)

–Необходимость оптимизации принятия решений. Дело в том, что усложнение производства ведет к увеличению решений и поэтому требуется выбор наиболее рационального решения. Человек при этом не

всостоянии выполнить многовариантные расчеты ни по времени, ни физически (составление расписания работ по каждому рабочему месту).Здесь следует учесть, что многие экономические задачи многоцелевые, многоразмерные, стохастические, динамические.

–Изменение пропорций в общественном труде, а именно: увеличение доли умственного труда (из-за усложнения производства). Возрастание количества работ, связанных с творческой деятельностью, требует разгрузки человека от второстепенного умственного труда. Человек может сформулировать цель и основные методы достижения цели, а остальное можно возложить на ЭВМ или другую технику. Так, например, человек может установить программу выпуска изделий, а ЭВМ - рассчитать подетальные планы и учесть имеющиеся заделы.

-Необходимость системного подхода и комплексность в решениях. Здесь имеется ввиду охват комплекса задач в их взаимосвязях (планирование, учет и управление, текущее и перспективное планирование, технико-экономическое и оперативное планирование и

т.д.) системный подход - связь экономических и организационных задач с математическими задачами и техническими средствами.

Таким образом, возникает настоятельная необходимость применения машинной обработки информации с переходом в АСУ.

Для того чтобы понять, что такое АСУ, рассмотрим два типа объектов автоматизации:

•технологические объекты;

•административные объекты.

Технологические объекты автоматизации - это различные технологические установки нефтехимических процессов, в энергосистеме) и автоматические линии (в машиностроении в легкой и пищевой промышленности и др.), могут быть полностью автоматизированы в управлении и называться автоматическими и могут существовать по идее без человека. Здесь передающими устройствами информации являются телеметрические системы (передача импульсов от датчиков к ЭВМ и обратно к исполнительным механизмам).

Место документов занимают импульсы тока. Роль человека сводится к контроль за работой оборудования и к наладкам

Административные объекты автоматизации это системы управления коллективами людей административными объектами.

Поэтому система управления может быть не более автоматизированной, где решения в основном принимает человек. Мы не можем допустить, чтобы человеком командовала машина, лишенная творческих способностей. Человек должен управлять машиной, направлять и контролировать ее работу. Здесь основными носителями информации в основном являются документы.

Автоматизированные системы управления подразделяются на 2 большие группы:

•информационную систему;

•управляющую систему.

Информационная система, в свою очередь, классифицируется на информационно-справочную и информационно-советующую.

Информационно-справочная система характеризуется тем, что в процессе управления машиной вырабатываются справочные данные о ходе производства. Здесь расчеты, анализ и принятие решения производит целиком человек. Для получения справок, т.е. данных для

Рис. 1.3.

Управляющая система характеризуется тем, что управление осуществляется полностью машинами. Человек в этом случае лишь

контролирует ход процесса и может при надобности вмешиваться (например, для подкладки, подрегулирования и пр.) как это представлено на рис. 1.4.

Рис. 1.4.

К таким системам относятся технологические установки и нефтехимии.

Наконец, самыми совершенными системами являются самонастраивающиеся и самообучающиеся системы.

Самонастраивающаяся система отличается способностью корректировать числовые значения алгоритмов, а

самообучающаяся система на основе накопления опыта может сама совершенствовать алгоритмы управления.

Кроме перечисленных классификаций автоматизированные системы подразделяются на детерминированные и вероятностные

системы управления.

2. АНАЛИЗ ТЕХНИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА КАК ОБЬЕКТА УПРАВЛЕНИЯ

Структура технического объекта управления может быть представлена в виде совокупности производственных звеньев,

связанных между собой материальными потоками. Звенья обработки чередуются со звеньями хранения, связанными звеньями транспортировки. Различают непрерывные, дискретные и дискретно-непрерывные технологические объекты. К непрерывным относятся процессы, в которых материальные потоки на входе и выходе производственных звеньев непрерывны во времени. Дискретные технические процессы - это те, в которых материальные потоки изменяются во времени дискретно. Дискретные технологические процессы связаны с изготовлением отдельных изделий или партий изделий. Обработка входного продукта обычно представляет собой последовательность отдельных технологических операций с фиксированным концом и началом. Если на предприятии осуществляется циклический выпуск группы деталей, т. е. периодический, заранее запланированный, выпуск различных партий, то такой технологический процесс называется периодическим.

Для любого процесса можно получить множество моделей, каждая из которых описывает его отдельные стороны.

Необходимость абстрагирования от конкретных характеристик ТП,

Концентрация получающегося при этом раствора составляет С2. Пусть также W] и W2 - потери в обоих аппаратах.

Основные переменные модели выпаривающего аппарата В1, В2 - выход остатка, фунт/мин.

Cf, С1, С2 - концентрация растворов, %. F - выходной поток раствора, фунт/мин. hf, h1 - энтальния жидкости, Бте/мин. Sf - расход пара, фунт.

W1, W2 - потери, фунт.

О1, О2 - выход пара, фунт/мин. Tf, Т1, Т2 - температура, F;

P1, Р2 - давление, фунт/кв. дюйм.

Рис. 2.3. Блок-схема традиционной САР для многокорпусного выпарного аппарата

Система управления

После того, как построена достаточно точная линейная модель управляемого процесса, можно перейти к выбору какого-либо из

методов синтеза многомерных регуляторов, сравнивая его эффективность с качеством регулирования в традиционной односвязной системе. Составим уравнения

x = Ax + Bu + Fd; z = y-yd; y = Cx

где yd - задающее воздействие.

В результате преобразований и решения уравнений выбираем регулятор и получаем систему.

Критерии эффективности АСУТП

При создании автоматизированных систем управления проектировщики ставят определенные цели:

экономия топлива, сырья, материалов и др. обеспечение безопасности функционирования объекта повышение качества конечного продукта (изделия) или

обеспечение заданных значений параметров конечного продукта

достижение оптимальной загрузки оборудования снижение затрат живого труда

оптимизация режимов работы технического оборудования. Под целью понимают выражение желаемого результата

деятельности.

Под критерием эффективности понимают соотношение, характеризующее качество функции ошерования ТОУ в целом и принимающее конкретные числовые значения в зависимости от

используемых управляющих воздействий. Критерием управления в АСУТП обычно является технико-экономический показатель или технический. Все критерии можно разделить на две группы: качественные и количественные.

К качественным относятся критерии, которые фиксируют факт достижения или недостижения поставленной цели. Если i-я цель

достигнута, i-й критерий принимает значение, например, И = 1, если i-я цель не достигнута, то Ii = 0.

В более широком смысле к качественным критериям относятся такие, которые не имеют конкретных числовых значений, но для них можно указать предпочтение «лучше», «хуже», и т.п. для одного

решения Х2 по отношению к какому-либо другому решению XI. Вторую группу критериев образуют качественные критерии, для

которых характерно то, что каждому варианту решения соответствует вполне определенное его числовое значение. Для

f(x) —»max, х е X где вектор решения х должен принадлежать допустимой области х, задаваемой ограничениями

Функция f(x) называется критерием эффективности, а также целевой.

К количественным критериям относятся также критерии, используемые для динамической оптимизации объектов

описываемых, например, обыкновенными дифференциальными уравнениями.

2. ТЕХНИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ.

Важной составляющей современных АСУ ТП являются электронные вычислительные машины. Первые цифровые ЭВМ

появились на мировом рынке в 1950 г. Они выполняли 1700 операций сложения в секунду. В настоящее время имеются большие вычислительные машины, выполняющие 10 - 12 млн. операций в секунду. Речь в данном случае идет об универсальных вычислительных машинах, которые применяются для решения научных, инженерных, экономических, коммерческих и многих других задач расчетного характера.

Однако нас интересует другая область применения вычислительных машин, принципиально отличающаяся от

указанной выше - этой областью являются системы управления технологическими процессами производства в самых различных отраслях. Управляющие ЭВМ принципиально отличаются от других тем, что непосредственно связаны с ТОУ, т.е. с технологическим процессом в самом широком и разностороннем понимании этого термина. Через различные чувствительные элементы, датчики, устройства преобразования информации и регулирующие органы они подсоединяются непосредственно к объекту. От ЭВМ следовательно, требуется, чтобы она работала в

темпе, задаваемом физическими переменными и органами управления, к которым подключается и с которыми

взаимодействует. Иными словами, она должна работать, как правило, в "реальном времени". Кроме того, действия, выполняемые машиной, часто диктуются событиями, наступившими в процессе, т.е. работа управляющей ЭВМ зависит от внешних событий.

Из этих обстоятельств следует два основных вывода. Во-первых в структуре такой ЭВМ должны быть специальные устройства ввода-

вывода, которые связывают ее с технологическим процессом (объектом). К этим устройствам относятся автоматические средства, необходимые для подключения аналоговых, дискретных и цифровых сигналов, несущих информацию о состоянии технологического процесса, и устройства, индуцирующее события или условия, требующие немедленного действия, иначе говоря, аварии и другие нештатные ситуации. При этом ЭВМ может быть запрограммирована так, чтобы реагировать на эти сигналы (условия и события) согласно заданному алгоритму управления.

Во-вторых, путем расчета корректирующих или управляющих воздействий, связанных с большим объемом вычислительных

операций, которые приходится проделывать за короткий срок и в случайные моменты времени, обуславливаемые внешними событиями. ЭВМ, применяемая в АСУ ТП, должна формировать своевременную реакцию системы. Это требует максимальной вычислительной мощности - много большей, чем требовалось бы при постоянной вычислительной загрузке.

Аппаратурной основой, ядром большинства современных развитых АСУ ТП служат так называемые контроллеры, с помощью которых реализуются сложные информационные и

управляющие функции по своевременной и надежной вычислительной обработке интенсивных потоков информации. Благодаря агрегатному, блочному принципу их построения и широкому использованию унифицированных видов связей между отдельными устройствами существует принципиальная