Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Системы автоматизированного проектирования изделий и процессов. Учебное пособие
.pdf
121
систем. Сложность задач проектирования и противоречивость требований
высокой точности, полноты и малой трудоемкости анализа обусловливают
целесообразность компромиссного удовлетворения этих требований с
помощью соответствующего выбора моделей. Это обстоятельство приводит к
расширению множества используемых моделей и развитию алгоритмов
адаптивного моделирования.
При использовании блочно-иерархического подхода к проектированию
представления о проектируемой системе расчленяют на иерархические уровни.
На верхнем уровне используют наименее детализированное представление,
отражающее только самые общие черты и особенности проектируемой
системы. На следующих уровнях степень подробности описания возрастает,
при этом рассматривают уже отдельные блоки системы, но с учетом
воздействий на каждый из них его соседей. Такой подход позволяет на каждом
иерархическом уровне сформулировать задачи приемлемой сложности,
поддающиеся решению с помощью имеющихся средств проектирования.
Разбиение на уровни должно быть таким, чтобы документация на блок любого
уровня была обозрима и воспринимаема одним человеком.
Другими словами, блочно-иерархический подход есть декомпозиционный
подход, который основан на разбиении сложной задачи большой размерности
на последовательно и (или) параллельно решаемые группы задач малой
размерности, что существенно сокращает требования к используемым
вычислительным ресурсам или время решения задач.
Можно говорить не только об иерархических уровнях спецификаций, но
и об иерархических уровнях проектирования, понимая под каждым из них
совокупность спецификаций некоторого иерархического уровня совместно с
постановками задач, методами получения описаний и решения возникающих
проектных задач.
Список иерархических уровней в каждом приложении может быть
специфичным, но для большинства приложений характерно следующее
наиболее крупное выделение уровней:
- системный уровень, на котором решают наиболее общие задачи
проектирования систем, машин и процессов; результаты проектирования
представляют в виде структурных схем, генеральных планов, схем размещения
оборудования, диаграмм потоков данных и т. п.;
- макроуровень, на котором проектируют отдельные устройства, узлы
машин и приборов; результаты представляют в виде функциональных,
принципиальных и кинематических схем, сборочных чертежей и т. п.;
- микроуровень, на котором проектируют отдельные детали и элементы
машин и приборов.
В зависимости от последовательности решения задач иерархических
уровней различают нисходящее, восходящее и смешанное проектирование.
122
Последовательность решения задач от нижних уровней к верхним
характеризует восходящее проектирование, обратная последовательность
приводит к нисходящему проектированию, в смешанном стиле имеются
элементы как восходящего, так и нисходящего проектирования. В большинстве
случаев для сложных систем предпочитают нисходящее проектирование.
Наряду с декомпозицией описаний на иерархические уровни применяют
разделение представлений о проектируемых объектах на аспекты. Аспект
описания (страта) — описание системы или ее части с некоторой оговоренной
точки зрения, определяемой функциональными, физическими или иного типа
отношениями между свойствами и элементами.
Различают аспекты функциональный, информационный, структурный и
поведенческий (процессный). Функциональное описание относят к функциям
системы и чаще всего представляют его функциональными схемами.
Информационное описание включает в себя основные понятия предметной
области (сущности), словесное пояснение или числовые значения
характеристик (атрибутов) используемых объектов, а также описание связей
между этими понятиями и характеристиками. Информационные модели можно
представлять графически (графы, диаграммы сущность — отношение), в виде
таблиц и списков. Структурное описание относится к морфологии системы,
характеризует составные части системы и их межсоединения и может быть
представлено структурными схемами, а также различного рода
конструкторской документацией. Поведенческое описание характеризует
процессы функционирования (алгоритмы) системы и (или) технологические
процессы создания системы. Иногда аспекты описаний связывают с
подсистемами, функционирование которых основано на различных физических
процессах.
123
5. АВТОМАТИЗИРОВАННЫЕ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ
Автоматизированная система управления (Automated, Automatized Control
System (ACS), Computerized Control System, Management Information System
(MIS)) — система управления, в которой применяются современные
электронные средства обработки данных и экономико-математические методы
для решения основных задач управления производственно-хозяйственной
деятельностью. Это человеко-машинная система: в ней ряд операций и
действий передается для исполнения машинам и другим устройствам (особенно
это относится к так называемым рутинным, повторяющимся, стандартным
операциям и расчетам), но главное решение всегда остается за человеком. Этим
АСУ отличаются от автоматических систем, т. е. таких технических устройств,
которые действуют самостоятельно по установленной для них программе, без
вмешательства человека.
АСУ подразделяются на два класса: автоматизированные системы
организационного управления и автоматизированные системы управления
технологическими процессами (последние часто бывают автоматическими,
первые ими принципиально быть не могут).
Традиционно термин АСУ закрепился за первым из названных классов.
Отличие АСУ от обычной (неавтоматизированной), но также использующей
компьютерные системы управления схематично показано на рис. 13.
Рис. 13. Компьютерная система управления:
а — неавтоматизированная, б — автоматизированная;
I — управляющий центр; II — автоматизированная управляемая система
(производство); III — контроль; тонкая стрелка — канал непосредственного
управления компьютером некоторыми технологическими процессами (бывает
не во всех АСУ); тонкая пунктирная стрелка — канал, по которому часть
информации поступает непосредственно в центр, минуя компьютер
Стрелками обозначены потоки информации. В первом случае (а)
компьютер используется для решения отдельных задач управления (например,
124
для выполнения плановых расчетов, результаты которых рассматриваются
органом управления и либо принимаются, либо отвергаются). При этом
необходимые данные собираются специально для решения каждой задачи и
вводятся в компьютер, а потом за ненадобностью уничтожаются.
Во втором случае (б) существенная часть информации от объекта
управления собирается непосредственно компьютерным центром (в том числе
по каналам связи). При этом нет необходимости каждый раз вводить в
компьютер все данные: часть из них (цены, нормативы и т. п.) хранится в
компьютере. Из него выработанные задания поступают, с одной стороны, в
орган управления, а с другой (обычно через контрольное звено) — к объекту
управления. В свою очередь информация, поступающая от объекта управления,
влияет на принимаемые решения, т. е. здесь используется кибернетический
принцип обратной связи. Это — АСУ.
Принято рассматривать каждую АСУ одновременно в двух аспектах: с
точки зрения ее функций (что и как она делает) и с точки зрения ее схемы, т. е.
с помощью каких средств и методов эти функции реализуются. Соответственно
АСУ подразделяют на две группы подсистем — функциональные и
обеспечивающие.
Создание АСУ на действующем экономическом объекте (в фирме, на
предприятии, в банке и т. д.) — длительный процесс. Отдельные подсистемы
АСУ проектируются и вводятся в действие последовательными очередями, в
состав функций включаются также все новые и новые задачи; при этом АСУ
органически «вписывается» в систему управления. Обычно первые очереди
АСУ ограничиваются решением чисто информационных задач. В дальнейшем
их функции усложняются, включая использование оптимизационных расчетов,
элементов оптимального управления. Степень участия АСУ в процессах
управления может быть весьма различной, вплоть до самостоятельной выдачи
компьютером (на основе получаемых им данных) оперативных управляющих
команд. Поскольку внедрение АСУ требует приспособления документации для
машинной обработки, создаются унифицированные системы документации, а
также классификаторы технико-экономической информации и т. д.
Экономическая эффективность АСУ определяется прежде всего ростом
эффективности самого производства в результате лучшей загрузки
оборудования, повышения ритмичности, сокращения незавершенного
производства и других материальных запасов, сокращения издержек,
повышения качества продукции, расширения спроса на нее.
5.1. Автоматизированные системы управления предприятием
125
Жизненный цикл изделия определяется четырьмя основными этапами:
проектирование изделия, подготовка производства, изготовление и
эксплуатация. В общей цепи жизненного цикла изделия техническая
подготовка производства (ТПП) играет важную роль. Скорость, полнота и
качество решения задач ТПП напрямую влияют на эффективность
производства и, соответственно, на деятельность предприятия в целом.
APS-Предприятие (рис. 14) — это автоматизированная процессинговая
система, нацеленная на ускорение и повышение качества процессов
технической подготовки производства на машиностроительных предприятиях.
Рис. 14. Целостная информационная модель производства
Программный комплекс APS-Предприятие полностью решает задачи
автоматизации процессов проектирования и производства изделий и
обеспечивает информационную интеграцию на этапах конструкторско-
технологической подготовки, организации электронного архива и технического
документооборота, планирования и управления производством. Программный
комплекс APS-Предприятие позволит каждому предприятию:
- автоматизировать процессы технической подготовки производства;
126
- организовать систему обеспечения и руководства качества согласно
требованиям стандартов серии ISO 9000 на этапах проектирования, разработки
и производства изделия;
- поддерживать жизненный цикл изделия в соответствии с CALS-
технологиями;
- обеспечить гибкий подход к выбору и применению методов
технической подготовки производства.
5.2. Автоматизированные системы управления процессами
Автоматизированная система управления технологическим процессом
(АСУТП) — комплекс программных и технических средств, предназначенный
для автоматизации управления технологическим оборудованием на
предприятиях. Под АСУТП обычно понимается комплексное решение,
обеспечивающее автоматизацию основных технологических операций на
производстве в целом или каком-то его участке, выпускающем относительно
завершенный продукт.
В английской литературе для обозначения АСУТП обычно используются
термины Process Control Systems или реже Automatic Control Systems (последнее
определение, на наш взгляд, несколько абстрактно, так как не указывает на
конкретное предназначение системы управления).
В зарубежной литературе можно встретить довольно интересную
классификацию АСУТП, в соответствии с которой все АСУТП делятся на три
глобальных класса.
1. SCADA (Supervisory Control and Data Acquisition). На русский язык
этот термин можно перевести как «система телемеханики», «система
телеметрии» или «система диспетчерского управления». Термин SCADA часто
используется в более узком смысле: многие так называют программный пакет
визуализации технологического процесса. Однако в данном разделе под словом
SCADA мы будем понимать целый класс систем управления.
2. PLC (Programmable Logic Controller). На русский язык переводится как
«программируемый логический контроллер» (ПЛК). Под термином ПЛК часто
подразумевается аппаратный модуль для реализации алгоритмов
автоматизированного управления. Тем не менее термин ПЛК имеет и более
общее значение и часто используется для обозначения целого класса систем.
3. DCS (Distributed Control System). Это распределенная система
управления (РСУ).
Из самого названия класса системы PLC становится ясно, что основным
компонентом системы является программируемый логический контроллер.
Системы класса PLC чрезвычайно хороши для управления
127
последовательностью технологических операций в процессе изготовления
изделия (не продукта, а именно изделия — далее будет пояснена разница). Как
правило, эти операции носят дискретный характер и требуют очень быстрой
реакции со стороны автоматики. Типичным примером применения систем PLC
является управление формовочной машиной для изготовления стеклотары или,
например, управление аппаратом по наклейке алюминиевых крышек на
пластиковые стаканчики с йогуртом. Типовые задачи систем PLC:
- управление конвейерными производствами;
- управление робототехникой;
- высокоскоростное управление приводами;
- управление позиционирующими устройствами;
- сигнализация, оповещение;
- управление комплектными технологическими машинами.
Для систем PLC характерно то, что они не требуют непрерывного
контроля со стороны диспетчера (в отличие от SCADA и DCS), достаточно
периодической проверки статуса. Уровень диспетчерского (операторского)
управления развит слабо и сводится, как правило, к установке кнопочного
пульта управления для запуска/останова того или иного технологического
участка и отображения аварийных сигнализаций. Большую часть времени
система PLC работает без надзора со стороны человека, т. е. в автоматическом
(автономном) режиме. Здесь, по сути, PLC приближается к САУ (системам
автоматического управления).
Структура системы PLC довольно проста. Один или несколько
программируемых логических контроллеров объединены в сеть с помощью
цифровой шины. Обмениваясь по шине данными, контроллеры могут
взаимодействовать друг с другом, что необходимо для их согласованной
работы. Как уже было упомянуто, при необходимости к системе также можно
подключить пульт локального управления (кнопочный или с ЖК-панелью).
Как правило, у контроллеров есть электрические входы/выходы для
подключения к ним полевых датчиков, сенсоров, исполнительных механизмов
(клапанов, позиционирующих устройств, различных приводов), устройств
оповещения и сигнализации. Количество входов/выходов может быть как
фиксированным, так и расширяемым с помощью дополнительно подключаемых
модулей. Такие модули называются «модулями ввода/вывода» (IO modules).
Контроллер непрерывно выполняет заложенную в него программу управления
по следующему циклу: считывание сигналов с датчиков, математическая
обработка данных в соответствии с определенным алгоритмом, формирование
управляющего воздействия и его передача на исполнительные механизмы. При
этом требуется высокое быстродействие — время выполнения всего цикла
составляет не более 10–20 мс.
Следующие аспекты характерны для систем класса PLC:
128
- высокоскоростное управление дискретными операциями;
- отказоустойчивость системы управления не критична: в случае останова
технологический процесс возобновляется в короткие сроки и с минимальными
потерями;
- практическое отсутствие операторского уровня — высокая степень
автономности;
- быстрая реакция на дискретные события;
- жесткая временная синхронизация работы нескольких узлов.
РСУ (DCS) — наиболее комплексный класс АСУТП. РСУ, как правило,
применяется для управления непрерывными технологическими процессами
(хотя, строго говоря, сфера применения РСУ только этим не ограничена). К
непрерывным процессам можно отнести те, которые должны проходить днями
и ночами, месяцами и даже годами, при этом останов процесса, даже
кратковременный, недопустим. Классическим примером непрерывного
процесса является изготовление стекла в стекловаренной печи. Если печь
остановить, то расплавленная стекломасса очень быстро затвердеет и разрушит
внутреннюю кладку. Печь выйдет из строя, и ее придется фактически строить
заново. То есть под непрерывными процессами подразумеваются те, останов
которых может привести к порче изготавливаемой продукции, поломке
технологического оборудования и даже несчастным случаям, а также те,
возобновление которых после останова связано с большими издержками. Это
сильно отличается от конвейера (применение систем PLC), который можно
остановить и запустить заново достаточно быстро, при этом без каких-либо
глобальных затрат. Сферы применения РСУ разнообразны:
- химия и нефтехимия;
- нефтепереработка и нефтедобыча;
- стекольная промышленность;
- пищевая промышленность: молочная, сахарная, пивная;
- газодобыча и газопереработка;
- металлургия;
- энергоснабжение и т. д.
Из вышесказанного вытекает главное требование к РСУ —
отказоустойчивость. Для РСУ отказ, а соответственно, и останов
технологического процесса, недопустим. Высокая отказоустойчивость
достигается путем резервирования (как правило, дублирования) аппаратных и
программных компонентов системы, использования компонентов повышенной
надежности, внедрения развитых средств диагностики, а также за счет
технического обслуживания и непрерывного контроля со стороны человека.
РСУ чрезвычайно функциональны и масштабируемы: на их базе
автоматизируются технологические установки, производственные цеха, а
иногда и целые заводы. Для характеристики масштаба РСУ часто используют
129
специальный термин «количество параметров ввода/вывода». Один параметр
ввода/вывода — это либо сигнал измерения, получаемый с датчика (текущее
давление пара в котле), либо управляющий сигнал, воздействующий на
исполнительный механизм (команда пуска насоса, например). Современные
РСУ способны обрабатывать до 50 000 параметров ввода/вывода, что
соответствует большому химическому заводу. Из этого следует еще два
требования к РСУ.
1. Масштабируемость. РСУ должна одинаково хорошо подходить для
автоматизации как одной установки, так и всего завода. При этом система
должна легко расширяться для того, чтобы охватить новые производственные
участки (цеха). Расширение системы должно по возможности проходить без
остановки уже внедренных участков системы (расширение online). Это может
звучать нереально, но именно такова цель настоящей РСУ.
2. Простота разработки и конфигурирования. Конфигурирование таких
масштабных систем, как РСУ, — это тяжелый и долгий труд. Система должна
предлагать инженерам целый набор предподготовленных программных
компонентов и средств разработки. К ним относятся: пакеты визуального
программирования, графические библиотеки, функциональные блоки,
преднастроеные сетевые протоколы и интерфейсы. Вообще степень интеграции
программных компонентов, входящих в состав РСУ, достаточно велика. Один
из главных принципов построения РСУ — единая конфигурационная база
системы. Изменения, выполненные в одном программном модуле системы,
должны автоматически отражаться во всех зависимых модулях.
Из самого названия «распределенная система управления» становится
очевидным, что подобные системы могут охватывать множество
территориально распределенных объектов. В действительности расстояние
между технологическими установками, объединенными в одну систему
управления, порой достигает нескольких километров. Система может
покрывать большие площади. Это стало возможным за счет применения
современных сетей и шин передачи данных, таких как всем известный Ethernet
или, например, специальная промышленная шина Profibus DP. При этом
используются как медные кабели, так и оптоволокно. Цифровая сеть позволяет
объединить разнесенные компоненты системы в единый программноаппаратный комплекс.
Для большинства РСУ характерна трехуровневая модель построения. На
нижнем уровне, уровне ввода/вывода (IO Layer), располагаются полевые
приборы (датчики, сенсоры, исполнительные механизмы), которые с помощью
электрических кабелей подключаются к подсистеме полевого ввода/вывода (IO
subsystem).
Электрический сигнал, поступающий с датчика, в подсистеме
ввода/вывода интерпретируется как измерение определенной физической
130
величины (температуры воды, например), потом сигнал оцифровывается
(переводится из аналоговой формы в цифровую, двоичную). В цифровой форме
сигнал передается по специальной шине в контроллер.
Подсистема ввода/вывода работает и в другом направлении. Получив от
контроллера по той же шине управляющую команду, подсистема ввода/вывода
переводит ее из цифровой формы в электрическую аналоговую.
Сформированный электрический сигнал по кабелю подается на
соответствующий исполнительный механизм.
Подсистема ввода/вывода состоит из аппаратных модулей ввода/вывода.
Модули различаются по типу электрического сигнала (с помощью которого они
взаимодействуют с полевыми приборами) и по направлению передачи сигнала.
Если к модулю подключается датчик, то модуль осуществляет ввод сигнала в
систему и называется модулем ввода; если подключается исполнительный
механизм, то модуль выводит управляющее воздействие из системы и
называется модулем вывода. Образно говоря, подсистема IO — это «глаза и
руки» системы управления.
На среднем уровне находятся контроллеры (CPU) — условно говоря,
«мозги» системы. Они представляют собой мощные вычислительные машины
специального (промышленного исполнения). Их задача — обрабатывать
поступающую из подсистемы ввода/вывода информацию и выдавать обратно
управляющее воздействие. Эта обработка осуществляется в соответствии с
заложенными алгоритмами управления и происходит циклически в среднем 10–
20 раз в секунду. Для решения сложных задач контроллеры могут обмениваться
между собой данными, используя цифровые коммуникационные.
Контроллеры РСУ могут различаться по производительности,
функционалу и архитектуре, хотя существуют и общие требования. Одно из
них — возможность менять алгоритмы управления «на лету» (online changes),
т. е. без остановки процесса управления. Другое важное требование —
возможность полного резервирования модулей, в том числе и питания. Пара
контроллеров, синхронно выполняющих одну и ту же программу управления и
страхующих друг друга, называется «резервированной парой».
Верхний уровень — это уровень операторского управления,
объединяющий серверы и операторские рабочие станции. Выделенный сервер
поддерживает коммуникацию с подключенными к нему контроллерами и копит
внутри себя архив технологических параметров.
Операторские станции OS (operator station) представляют собой ПК. В
рамках клиент-серверной архитектуры они ведут обмен данными с сервером, а
не напрямую с контроллером. При этом операторских станций может быть
несколько десятков.
Операторская станция служит для отображения технологической
информации в виде интерактивных графических мнемосхем, а также для
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]