Основные понятия, используемые при изучении предмета АСУТП

Здравствуйте. Мы начинаем изучение такого предмета, как автоматизированные системы управления технологическими процессами. Начнем с древних греков. Именно они придумали слово «аутоматос», что означает «самодействующий аппарат», с него и началось разнообразное применение вариантов этого слова. (слайд 2)

Под автоматизацией понимают применение методов и средств автоматики для превращения неавтоматических процессов в автоматические. Есть и нюансы, например, применяются и словосочетание «автоматическая система» и словосочетание «автоматизированная система». Разница этих понятий в степени самостоятельности работы каждой из этих систем. Автоматическая система фактически не предполагает участия человека, автоматизированная же предполагает наличие человека-оператора, контролирующего процесс.

На слайде 3 представлены практические цели АСУТП на нефтедобывающем предприятии.

Обеспечение оптимальных или близких к оптимальным показателей технологических и производственных процессов за счёт:

• наиболее полного извлечения нефти из продуктивных пластов с установленными ТЭП;
• повышение производительности оборудования;
• сокращение обслуживающего персонала;
• сокращение потерь всех видов ресурсов;
• улучшение качества подготовки нефти, газа, воды, которые позволяют получить экономический эффект по сравнению с базовыми вариантами автоматизированного технологического комплекса или неавтоматизированным производством.

Таким образом, (слайд 4) можно дать следующее определение АСУТП.

АСУТП - это автоматизированная (человеко-машинная) система для выработки и реализации управляющих воздействий на технологический объект управления в соответствии с принятым критерием управления

При этом под технологическим объектом управления понимается совокупность технологического оборудования и реализованного на нём в соответствии с инструкциями и регламентами технологического процесса производства, рассматриваемые как объекты управления.

Процесс автоматизации производства зародился вместе с самим производством и в процессе своего развития прошел целый ряд этапов: от управления при помощи простейших технических устройств, до современных АСУ, построенных на базе вычислительной техники (ВТ).

Комплексное использование ВТ при автоматизации производства позволяет создавать гибкие автоматизированные производства (ГАП). Создание ГАП - стратегическое направление развития и автоматизации производственных процессов. И тогда, когда мы в всех отраслях производства научимся строить ГАП (идеальный случай и фантастический), можем получить следующую структуру (слайд 5).

АСУП  - автоматизированная система управления производства.

АСНИ  - автоматизированная система научных исследований.

САПР  - система автоматизированного проектирования.

АСТПП - автоматизированная система технологической подготовки производства.

АСУТП  - автоматизированная система управления технологическим процессом.

АСКиД  - автоматизированная система контроля и диагностики.

Перейдем к базовым компонентам АСУТП (слайд 6). АСУТП состоит из следующих компонентов:

КТС - комплекс технических средств;

СПО - системное программное обеспечение;

ФАУ - функциональные алгоритмы управления.

КТС и СПО образуют программно-технический комплекс (ПТК).

ПТК и ФАУ образуют АСУТП

Таким образом, в АСУТП выделяются следующие основные компоненты:

q комплекс технических средств АСУТП (КТС);

q системное программное обеспечение реального времени (СПО);

q функциональные алгоритмы и программы управления (ФАУ).

Следующее понятие (слайд 7) – это ТОУ – технологический объект управления. ТОУ – это совокупность технологического  оборудования  и реализованного на нём по соответствующим инструкциям и регламентам технологического процесса.

Совместно функционирующие ТОУ + Управляющая им АСУТП образуют АТК (автоматизированный технологический комплекс)

Степень достижения поставленных целей автоматизации ТОУ принято характеризовать с помощью критериев управления

Критериями управления  могут  быть:

q технико-экономические показатели (себестоимость, производительность и т.п.);

q технологические показатели (параметры процесса, характеристики выходного продукта).

Цели АСУТП мы определили раньше, сейчас можно рассмотреть назначение – задачи, которые решаются с помощью АСУТП (слайд 8).

q Обеспечение безопасности функционирования

q Стабилизация параметров входных потоков

q Получение заданных параметров выходных продуктов

q Оптимизация режима работы объекта

q Согласование режимов работы оборудования

При функционировании АСУТП на каком-либо производстве выделяются три основные группы функций АСУТП (слайд 9):

Управляющие функции

Результатами их выполнения являются выработка и реализация управляющих воздействий на управляемую систему.

Вспомогательные функции обеспечивают решение внутрисистемных задач (самодиагностика системы).

Информационные функции. Содержанием информационных функций является сбор, обработка и представление информации о состоянии системы оперативному персоналу или передача этой информации для последующей обработки.

Как любая сложная система, АСУТП включают в себя следующие составные части (слайд 10):

• техническое обеспечение, которое включает вычислительные и управляющие устройства, средства получения информации (датчики), средства преобразования, хранения, отображения и регистрации информации, устройства передачи сигналов и исполнительные устройства;
• программное обеспечение, состоящее из совокупности программ, необходимых для реализации функций АСУТП и обеспечения заданного функционирования комплекса  технических  средств;
• информационное обеспечение включает информацию, характеризующую состояние системы управления, системы классификации и кодирования технологической и технико-экономической информации, массивы данных и документов, необходимых для выполнения функций  АСУТП, в том числе нормативно-справочную информацию;
• организационное обеспечение представляет собой совокупность описаний функциональных, технических и организационных структур, а также инструкций для оперативного персонала; данная совокупность должна обеспечить надлежащее функционирование перечисленных структур;
• оперативный персонал  - это технологи-операторы, осуществляющие контроль и управление системой;
• эксплуатационный персонал – это персонал, обеспечивающий эксплуатацию системы.

Перейдем к схемам управления технологическим процессом. Наиболее простая схема – управление в режиме сбора данных (слайд 11).

Подсоединение осуществляется посредством устройства сопряжения с объектом (УСО). Измеряемые величины преобразуются в цифровую форму. Результаты вычислений регистрируются устройствами вывода АСУТП для последующего изучения технологического процесса в различных условиях его прохождения. На основе этого можно построить или уточнить математическую модель управляемого процесса.

Данный режим не  оказывает прямого воздействия на технологический процесс. Здесь нашел осторожный подход к внедрению методов управления в АСУТП. Однако данная схема используется как одна из обязательных подсхем управления в других более сложных схемах управления технологическими  процессами.

Современные технологические процессы характеризуются следующими особенностями, влияющими на построение АСУТП (слайд 12).

q На протекание технологических процессов наибольшее влияние оказывают наблюдаемые, но неуправляемые (меняющиеся самопроизвольно) возмущения. Следовательно, управление  процессом необходимо выстраивать с учётом влияния этих возмущений;

q Для описания технологических процессов используются различные уравнения, заранее неизвестные или известные приближенно. Следовательно, в АСУТП должно осуществляться построение математической модели, которая должна непрерывно автоматически уточняться;

q Алгоритм управления не должен существенно изменяться при изменении   количества учитываемых факторов, что позволит обеспечить ввод в действие АСУТП путем постепенного дополнения новыми переменными;

q Система должна обладать высокой надежностью.

Перечисленные требования должны удовлетворяться в рассматриваемых ниже методах управления. Следующий метод управления – управление по возмущению (слайд 13).

Возмущение n(t), действующее на входе технологического процесса, с помощью датчиков (Д) поступает в АСУТП, где вводится в модель технологического процесса. Получающаяся на выходе модели оценка выхода технологического процесса сравнивается с уставкой Х0, разность Е поступает на управляемый объект (УО) как управляющее воздействие. Основное преимущество подобной схемы управления состоит в быстрой реакции системы на возмущение.

Основной  недостаток - использование в составе АСУТП фиксированной модели технологического процесса.

Не буду загромождать Ваше первоначальное восприятие другими схемами управления, их мы изучим далее.

На слайде 14 представлено укрупненное представление глобальной автоматизированной системы управления предприятием АСУП и отдельных ее составляющих. Как видим, системы управления технологическими процессами «растворились» в других автоматизированных системах, хотя автоматизация кадровой работы и бухгалтерии тоже является примером построения АСУТП, только под технологическими процессами здесь понимаются учет и контроль кадровых и бухгалтерских документов, производящийся по четким, оговоренным правилам.

Вернемся к нашим «железякам». Ваша будущая работа, скорее всего, будет связана именно с ними. Поэтому про них и будем разговаривать.

На чем стоит построение любой АСУТП. Во-первых, на получении информации, во-вторых, на обработке информации и выработке управляющего воздействия, и, в-третьих, на исполнении управляющего воздействия.

Фактически так, по таким уровням и строятся современные АСУТП (слайд 15).

Первый (нижний) уровень составляют датчики и исполнительные механизмы. К ним относятся не только простейшие преобразователи физических величин в электрические сигналы, но и довольно сложные устройства, обрабатывающие по собственным алгоритмам как входные сигналы, так и выходные команды.

Второй уровень формируют программируемые контроллеры, включая загруженные в них программы сбора и обработки данных, а также удаленные модули ввода-вывода. Современная контроллерная техника позволяет максимально приблизить устройства сбора информации и выдачи команд к объектам первого уровня системы, что позволяет повысить надежность системы и сэкономить кабельные комплектующие.

Третий и последующие уровни - автоматизированные рабочие места (АРМ) уровней управления цеха, структурного подразделения и т.д.

Основные функции первого уровня (слайд 16).

• сбор информации об измеряемых технологических параметрах процесса
• выработка управляющих воздействий на технологический процесс с целью поддержания технологических параметров на заданных значениях или изменения их по определенным законам
• сигнализация о выходе их за заданные пределы
• блокировка ошибочных действий персонала  и управляющих устройств
• противоаварийная защита (ПАЗ) процесса по факту аварийных событий.

Основные функции Второго уровня (слайд 17).

• сбор информации, поступающей с нижнего уровня, ее обработка и хранение
• выработка управляющих сигналов на основе анализа информации
• передача информации о производственном участке на более высокий уровень
• архивирование информации
• диагностика и защита от сбоев в элементах подсистем нижнего уровня
• определение настроек управляющих устройств (УУ) и установок локальных регуляторов подсистем I уровня
• изменение структуры локальных подсистем (переконфигурирование, включение/выключение, переход в ручное управление и т.д.)

Основные функции, выполняемые на 3 уровне (слайд 18).

• оптимизация экономических показателей производства
• управление по экономическим и технико-экономическим показателям
• сведение материальных балансов
• архивирование информации
• составление производственных планов и т.д.

Все это многообразие иллюстрируется слайдом 19, где представлена развернутая структура Современной АСУТП. Подчеркивается, что основными компонентами верхнего уровня, точнее говоря, центра управления производством, являются:

Операторская часть отвечает за связь между оператором и процессом на уровне управления. Она выдает информацию о процессе и позволяет в случае необходимости вмешаться в ход автоматического управления. Обеспечивает диалог между системой и операторами.

Система подготовки отчетов выводит на экраны, принтеры, в архивы и т.д. информацию о технологических параметрах с указанием точного времени измерения, выдает данные о материальном и энергетическом балансе и др.

Система анализа тенденций дает оператору возможность наблюдения за технологическим параметрами и делать соответствующие выводы.

            На верхнем уровне АСУ ТП размещены мощные компьютеры, выполняющие функции серверов баз данных и рабочих станций и обеспечивающие анализ и хранение всей поступившей информации за любой заданный интервал времени, а также визуализацию информации и взаимодействие с оператором. Основой программного обеспечения верхнего уровня являются пакеты SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition - системы управления и доступа к данным).

21 слайд посвящен одной из главных особенностей функционирования АСУТП – необходимости поддерживать режим реального времени. Последовательность и продолжительность опроса датчиков, передача и исполнение управляющих воздействий должны быть строго запротоколированы и отклонение от этого регламента часто приводит к технологическим и финансовым потерям.

Слайд 22 посвящен возможным путям построения АСУТП. Их всего три – купить за бугром, купить в своей стране, и построить самим. О пользе и вреде каждого подхода можно сломать не одно копье, мы этим заниматься не будем. Скажу только, что преимущество использования «отечественного производителя» чаще всего в том, что одновременно с приобретением «железа», мы можем еще приобрести и «мозг», получая достаточно быстрый доступ к конструктору-разработчику, что всегда радует. Самостоятельное изготовление и построение АСУТП возможно только при наличии очень высокоподготовленных специалистов.

Исторически АСУТП строились следующим образом. На первых порах (слайд 23) одна супервычислительная мощность использовалась, главным образом, в схеме управления в режиме сбора данных. Это происходило, главным образом потому, что протяженность коммуникационных каналов от объекта управления до центра обработки информации и скорость ее передачи сводили на нет все усилия построить АСУТП с функцией регулирования и формирования управляющего воздействия.

Следующий этап развития АСУТП представлен на слайде 24. Это время построения распределенных вычислительных систем и отказа от жесткой централизации. Очень важным свойством оказалась открытость таких систем. Очень возросли мощности коммуникационных линий по передаче информации.

Перспективным направлением в построении АСУТП на современном этапе (слайд 25) является еще большая интеллектуализация устройств нижнего (полевого) уровня и возможность их объединения в полевую сеть по технологии fieldbus - концепция цифровых сетей нижнего уровня.

Преимущества использования данной концепции приведены на слайде 26. Главное в этой технологии то, что информационный сигнал и электропитание подводятся к объекту по одной витой паре.

При этом мастер-устройство (слайд 27) отвечает за соблюдение протокола, производит опрос вторичного ведомого устройства. А так как данные дискретны, и уже не представляют собой аналоговый сигнал, то и линии данных не испытывают перегрузок.

Слайд 28 фактически перечисляет оборудование, входящее в состав современных АСУТП. При этом АСУТП имеют распределенный характер, с разделенными друг от друга операторскими станциями и станциями управления. Функции их представлены на слайде 29.

Основным элементом станции управления, на современном этапе, являются контроллеры и микроконтроллеры. Основные требования к ним представлены на слайде 30.

И последние слайды посвящены очень большой и важной составляющей АСУТП – это ее программной части, программному обеспечению, которое фактически и является базисом функционирования АСУТП,