Разработка концепции и требований к системам управления технологичес

Рис. 4. Структурная схема САР по отклонению

Рис. 5. Структурная схема САР по возмущению

При этом принципе управления изменение возмущающего воздействия компенсируется регулятором до того, как оно нарушит технологический режим в объекте.

Комбинированная САР

Все возмущающие воздействия на объект измерить и компенсировать достаточно сложно, и при воздействии на объект неконтролируемого возмущающего воздействия система может отклониться от технологического режима. В таких случаях комбинируют первые два метода.

Для компенсации возмущения устанавливается регулятор 2, а для компенсации влияния остальных возмущающих воздействий применяется регулятор 1.

41

Рис. 6. Структурная схема комбинированной САР

Многие объекты химической технологии обладают существенным запаздыванием и характеризуются значительными возмущениями. Использование одноконтурных систем при автоматизации таких объектов не позволяет обеспечить высокое качество регулирования. Поэтому для повышения качества регулирования этих объектов используют более сложные (многоконтурные) АСР.

Каскадные САР

В каскадных системах при регулировании основной технологической величины в объекте с большим запаздыванием используются также вспомогательные величины, реагирующие на изменение основных возмущений объекта и регулирующего воздействия с меньшим запаздыванием. В таких случаях стабилизация вспомогательных величин способствует более качественному регулированию основной величины. Каскадная система состоит из нескольких контуров регулирования, каждый из которых регулирует свою технологическую (основную или вспомогательную) величину. Однако применение каскадных схем эффективно только в том случае, когда запаздывание в контуре регулирования основной величины существенно больше, чем в контуре регулирования вспомогательной величины. При автоматизации химико-технологических объектов чаще всего используют двухконтурные каскадные системы. Структурная схема двухконтурной каскадной системы приведена на рис. 7.

42

Рис. 7. Структурная схема каскадной САР

При использовании каскадной системы динамическая ошибка и время регулирования имеют меньшие значения. Уменьшается в несколько раз и интегральная квадратичная ошибка регулирования.

Системы регулирования соотношения

Системы регулирования соотношения относятся к следящим системам. Так, например, исходная смесь и флегма должны поступать в ректификационную колонну в определенном соотношении. При этом ведущей технологической величиной является расход смеси, а ведомой – расход флегмы. Это реализуется с помощью регулятора соотношения, который воздействует на расход флегмы. Аналогично регулируют соотношения следующих расходов: топливо и воздух в процессах горения; два вещества, подаваемые в химический реактор; сырье и пар, подаваемые в трубчатые печи пиролиза углеводородов, и др.

Иногда используют схемы регулирования, в которых предусмотрено изменение соотношения двух расходов в зависимости от текущего значения третьей технологической величины. Например, соотношение расходов топливного газа и воздуха, подаваемых в трубчатую печь, корректируют по содержанию кислорода в дымовых газах.

Классификация САУ по принципу управления не является единственной. Существует много других признаков, которые могутбыть положены воснову классификации систем управления.

43

Выбор канала регулирования

Одним и тем же выходным параметром объекта можно управлять по разным входным каналам. Например, температурой в печи – путем изменения расхода воздухаилигазав печь (рис. 8).

Рис. 8. Управление температурой печи по разным каналам

Задача состоит в том, какой из входных параметров (каналов) следует выбирать. При выборе нужного канала управления исходят из следующих соображений:

1.Из всех возможных регулирующих воздействий выбирают такой поток вещества или энергии, подаваемый в объект или отводимый из него, минимальное изменение которого вызывает максимальное изменение регулируемой величины, т.е. коэффициент усиления по выбранному каналу должен быть по возможности максимальным. Тогда по данному каналу можно обеспечить более точное регулирование.

2.Диапазон допустимого изменения управляющего сигнала должен быть достаточен для полной компенсации максимально возможных возмущений, возникающих в данном технологическом процессе, т.е. должен быть запас по мощности управления

вданном канале.

3.Выбранный канал должен иметь благоприятные динамические свойства, т.е. запаздывание и отношение запаздывания к постоянной времени объекта должны быть возможно меньшими. Кроме того, изменение статических и динамических параметров объекта по выбранному каналу при изменении нагрузки или во времени должны быть незначительными.

4.Выбранный канал регулирования должен быть согласован с технологическим регламентом ведения процесса.

44

14. Разработка архитектуры системы управления технологическим процессом

В разделе необходимо рассмотреть общую архитектуру и принципы действия АСУТП. При разработке общей архитектуры АСУТП необходимо учитывать то, что подавляющее количество систем управления строится на базе микропроцессорных комплексов.

Типы систем управления

В упрощенном виде любая СУ должна выполнять следующие функции:

•сбор информации о текущем состоянии технологического объекта управления (ТОУ);

•определение критериев качества работы ТОУ;

•нахождение оптимального режима функционирования ТОУ и оптимальных управляющих воздействий (управлений), обеспечивающихэкстремумкритериевкачества;

•реализацию найденного оптимального режима или оптимальных управлений на ТОУ.

Эти функции могут выполняться управленческим персоналом (оператором) и (или) техническими средствами системы управления. В зависимости от распределения этих функций между оператором и техническими средствами определяют уровень автоматизации управления ТОУ и различают следующие типы систем управления:

•информационные (не автоматизированные) системы;

•системы автоматического управления;

•системы централизованного контроля и регулирования;

•автоматизированные системы управления технологическими процессами.

45

Информационные (не автоматизированные) системы управления

В таких системах получение информации о текущем состоянии ТОУ и отображение ее на вторичных приборах осуществляют технические средства. Оператор анализирует состояние ТОУ по показаниям приборов, интуитивно оценивает качество его функционирования, находит субъективно-оптимальные управления и реализует их вручную или с помощью дистанционно управляемых исполнительных механизмов.

Применяются для автоматизации сравнительно простых и надежно функционирующих ТОУ, состояние которых характеризуется небольшим числом координат и легко оцениваемыми показателями качествами скалярного типа.

Системы автоматического управления (САУ)

Системы обеспечивают полную автоматизацию управления ТОУ; все функции сбора информации о состоянии объекта, вычисления критериев качества, нахождения наилучших режимов функционирования и оптимальных управлений их реализации выполняют технические средства. Оператор не принимает непосредственного участия в оперативном управлении ТОУ. Функции оператора заключаются в технической диагностике состояния САУ и восстановлении отказавших элементов системы. Оператор может эпизодически корректировать законы функционирования САУ, изменять задания, переводить управление с автоматического на ручное и т.п.

Применяются для автоматизации сравнительно простых ТОУ, технологические режимы которых характеризуются небольшим числом координат, а качество работы – легко вычисляемым критерием.

Частным случаем САУ являются автоматические системы регулирования (АСР).

46

Системы централизованного контроля и регулирования (СЦКР)

Функции сбора и первичной обработки информации о состоянии территориально рассредоточенного ТОУ, a также стабилизации или программного регулирования выходных координат объекта выполняют ТСА, а оператор оценивает критерии качества, определяет субъективно оптимальные управления и реализует их путем изменения заданий АСР или дистанционного управления регулирующими органами.

Применяются для автоматизации всего ТОУ. Для этих систем характерны многоканальность контроля и регулирования, развитие функции представления оператору информации о состоянии объекта (использование вторичных и регистрирующих приборов; систем звуковой, световой и цветовой сигнализации; мнемонических отображений состояний объекта).

Автоматизированные системы управления технологическими процессами (АСУТП)

Представляют собой человеко-машинные системы управления, в которых ТСА осуществляют получение информации о состоянии ТОУ, вычисление критериев качества, нахождение и реализации оптимальных управлений, под контролем оператора. Оператор выполняет анализ этих управлений и также может реализовать их с помощью локальных АСР или дистанционного управления регулирующими органами.

Включение оператора в контур управления обусловлено применением «быстрых» математических моделей и других алгоритмов, которые могут накапливать погрешности, неадекватным описанием моделей поведения ТОУ в нестационарных режимах и т.п., что приводит к погрешностям определения критерия и оптимальных управлений. Анализ оператором результатов решения оптимизационных задач снижает вероятность реализации на ТОУ неточных управляющих воздействий.

Дальнейшие примеры будут рассмотрены применительно к АСУТП, как наиболее развитой и распространенной системе управления.

47

Выбор архитектуры АСУТП. Структурная схема АСУТП

Одни и те же задачи управления можно решать с помощью систем с различным техническим, программным обеспечением. Системы могут иметь различную архитектуру построения. В разделе рассмотрим наиболее распространенные задачи, решаемые при проектировании архитектуры АСУТП.

Аппаратное оформление

Систему управления технологическими процессами принципиально можно строить на различной аппаратной базе. Так, например, система управления могла быть построена на базе комплексов пневмоавтоматики, системы управления на базе пневмоавтоматики были вытеснены аналоговыми электрическими системами. В настоящее время системы управления технологическими процессами разрабатываются с использованием микропроцессорной техники. Рассматривать для вновь вводимых систем целесообразно именно микропроцессорные системы.

Многообразие микропроцессорных устройств, разработанных для построения АСУТП, позволяет реализовать различные подходы к построению АСУТП. Рассмотрим наиболее распространенные подходы:

1.На основе отдельных технических средств автоматизации – специализированных контроллеров.

2.На основе промышленных микропроцессорных контроллеров общего назначения.

В первом случае для реализации функций АСУТП используются специализированные технические средства индивидуального или коллективного назначения (многоканальные): регу-

ляторы (SLC – Single Loop Controller), вторичные показываю-

щие и регистрирующие приборы, блоки промышленной сигнализации и блокировок и т.п. Такой подход характерен для небольших технологических объектов со сравнительно небольшим количеством управляющих воздействий и измеряемых технологических параметров. Такой подход характеризуется простотой

48

работы с системой и ее обслуживания. Однако при увеличении количества контролируемых параметров, управляющих воздействий и повышении сложности алгоритмов обработки информации такое построение системы управления может оказаться нецелесообразным и потребует комбинирования со вторым подходом. В этом случае будет применена архитектура АСУТП с построением распределенных и/или иерархических АСУТП. Вэтом случае целесообразно сразу проектировать АСУТПпо второму подходу.

Во втором случае используются программно-технические средства автоматизации – микропроцессорные контроллеры общего назначения, которые выполняют все управляющие функции АСУТП. Информационные функции (отображение, регистрация, сигнализация и др.) реализованы с использованием

SCADA-станции (Supervisory Control and Data Acquisition – су-

первизорное/диспетчерское управление и сбор данных) – промышленного компьютера со специальным ПО. (В некоторых случаях информационные функции могут также выполнять микропроцессорные контроллеры).

Такой подход позволяет минимизировать номенклатуру ТСА, реализовать сложные алгоритмы управления и системы обработки информации (например, автоматизированный анализ режимов функционирования) в условиях большого количества технологических координат. Способ будет иметь преимущества для крупных технологических установок.

Оба подхода можно комбинировать.

Архитектура АСУТП

По архитектуре АСУТП может быть:

•централизованной (рис. 9) – все функции управления выполняются на базе одного управляющего вычислительного комплекса (УВК) (воснове которого находится одинконтроллер);

•децентрализованной (распределенной) – функции управления выполняются на базе нескольких отдельных контроллеров.

49

Всвою очередь распределение АСУТП может преследовать различные цели, в зависимости от которых будет выполнена декомпозиция (децентрализация) АСУТП.

Для управления территориально-распределенными объектами управления (нефтедобыча и нефтеподготовка, системы транспортировки веществ и т.п.) применяют территориальнораспределенные АСУТП. Отдельные микропроцессорные комплексы максимально близко располагаются к распределенным по площади установкам, технологическим аппаратам. Целью такого распределения является минимизация затрат на прокладку линий связи.

Вслучае управления технологическим объектом, имеющим сложные законы функционирования, используют функциональ- но-распределенные АСУТП (рис. 10). В этом случае отдельные микропроцессорные комплексы реализуют собственные функции управления с целью достижения максимума локальных критериев управления. Такой подход позволяет упростить алгоритмы функционирования для отдельных контроллеров, повысить надежность реализации отдельных функций. Частным случаем функционального распределения является реализация задач управления (в том числе регулирования) и задач противоаварийной защиты на различных контроллерах.

Рассмотрим пример. Для решения задач управления небольшим объектом (установка, малотоннажная линия), не распределенным на большой территории, можно использовать централизованную АСУТП на базе одного микропроцессорного комплекса.

Для опасных производств (пожаро-, взрывоопасных) обязательным является перенос функций противоаварийной защиты на отдельные технические средства, в нашем случае – на специализированный контроллер противоаварийной защиты.

50