РАЗНОВИДНОСТИ АСУ ТП

Современные АСУ ТП очень разнообразны и могут отличаться друг от друга по функциональному составу, степени автоматизации управления объектом, применяемым техническим средствам и многим другим признакам и характеристикам. Тем не менее, чтобы получить представление о том, какими бывают АСУ ТП, целесообразно рассмотреть характерные разновидности, различающиеся, например, по объему выполнения основных информационных и управляющих функций. Приведенный ряд совпадает с вектором исторического развития АСУ ТП.

I. АСУ ТП, функционирующие без вычислительного комплекса

В современной терминологии все системы управления технологическими процессами, осуществляющие контроль, регулирование, сигнализацию, защиту технологического объекта или процесса, называются АСУ ТП. Технические средства контроля и регулирования здесь автономны (без центрального компьютерного ядра) и связаны друг с другом через объект и оператора.

На некотором историческом этапе все ТОУ проходили эту разновидность системы управления, использовались локальные аналоговые средства контроля и управления, релейные схемы сигнализации и защиты. Подобные человеко-машинные системы сейчас применяются дляуправления отдельными относительно простыми технологическими агрегатами, установками или группами аппаратов (участками).

II. Информационно – измерительная система (ИИС). АСУ ТП с вычислительным комплексом, выполняющим только информационные функции

Системы этого вида (рис. 1.4, «стрелка» 1) содержат все функциональные и аппаратурные элементы, присущие предыдущей схеме, но отличаются от нее наличием вычислительного комплекса (ВК), который выполняет функции централизованного контроля, вычисления комплексных технических и технико-экономических показателей, а также мониторинг работы и состояния оборудования.

Рис. 1.4. Разновидности АСУ ТП

 

Информационно - вычислительный комплекс (ИВК) в сочетании с датчиками и преобразователями сигналов получает и перерабатывает всю необходимую информацию о состоянии объекта, и передает её оператору. Задачи анализа поступающей информации, принятие решений, а также осуществление управляющих воздействий возлагаются на оператора.

Обычно такая ИИС функционирует наряду с комплексом аналоговых приборов контроля («старых» или дублирующих) и локальных регулирования. Ответственность разработчиков (надежность) невысокая. Применяется при низком уровне компьютерной автоматизации, невысокой стоимости и качестве компьютерной техники.

В результате работы такой АСУ ТП накапливается информация, позволяющая глубоко изучить объект, построить и уточнить математическую модель процесса, которым нужно управлять, и перейти к более высокому уровню автоматизации. Сбор данных непосредственно не оказывает воздействия на процесс, но облегчает управляющие действия оператора и обеспечивает общее управление объектом. Информационная структура входит во все АСУ ТП более высокого уровня.

Достоинство: низкая стоимость, возможность реализации без остановки объекта.

III. АСУ ТП с вычислительным комплексом, функционирующим в режиме «советчика»

Является разновидностью предыдущей системы. При аналогичной предыдущей схеме структуре (рис. 1.4, «стрелка» 1) добавляются функции анализа поступающей информации и поиска оптимальных решений с выдачей рекомендаций по управлению (советов) оператору-технологу (более высокий уровень). Окончательный выбор и осуществление управляющих воздействий по-прежнему остаются за человеком.

Через заданные промежутки времени (обычно 10÷30 мин для экономических и технико-экономических задач, для технологических - оперативно) анализируются данные о состоянии объекта, рассчитываются комплексные технические и технико-экономические показатели. Вычислением по математической модели управляемого процесса определяются воздействия, необходимые для приближения процесса к оптимуму. Результаты представляются оператору, который, учитывая рекомендации, управляет процессом, изменяя уставки регуляторов, либо принимая управление «на себя». Технолог может также использовать модель для проверки своих возможных вариантов решения производственной задачи.

Применение ВК в режиме советчика позволяетпроверить модели процесса. В такой системе также возможно четкое отслеживание возникновения аварийных ситуаций.

 

IV. АСУ ТП с вычислительным комплексом, выполняющим функции центрального управляющего устройства (супервизорное управление)

ВК, фактически ИВС, реализуя необходимые измерительные функции, аппаратно стыкуется с локальными (аналоговыми или цифровыми) системами нижнего уровня («стрелка» 3, рис. 1.4) и вырабатывает воздействия, поступающие как сигналы на специальные входы систем автоматического регулирования.

Основная задача супервизорного управления - автоматическое поддержание технологического процесса вблизи оптимальной рабочей точки путем оперативного воздействия на него или оптимизация параметров при отклонении от «рабочей точки».

Как в предыдущих схемах, осуществляется сбор и переработка сигналов технологической информации, но после выполнения расчетов по модели, найденные новые значения уставок и заданий локальным регуляторам преобразуются в сигналы, которые поступают на «служебные» входы регуляторов.

С 80-х годов большинство выпускаемых регуляторов имели входы, позволяющие позиционно (дискретно), реже с помощью аналогового сигнала, менять их настройки. Правда, эта процедура применялась крайне редко. Производимые в настоящее время цифровые автономные (локальные) регуляторы оснащаются интерфейсом, позволяющим связываться с ЭВМ верхнего уровня и осуществлять их значительную адаптации к изменившемуся процессу.

На «химических» (взрывоопасных) объектах до сих пор используется большое количество пневматических датчиков и исполнительных механизмов (ИМ), в таких схемах применялись и пневматические локальные регуляторы. При введении в такую АСУ ТП супервизора возможно использование 2 вариантов (рис 1.5):

· в пожароопасной зоне полностью располагается пневматический контур (датчики, регулятор, исполнительные устройства), а вне её через пневмоэлектрические и электропневматические преобразователи осуществляется связь с микроконтроллерным супервизором;

· в пожароопасной зоне располагаются только пневматические датчики и исполнительные устройства, за её пределами через пневмоэлектрические и электропневматические преобразователи осуществляется связь с электрическим или микроконтроллерным локальным регулятором и далее с супервизором на ИВК.

Поскольку в таких системах контур управления замкнут через ВК, то функции оператора сводятся к общему наблюдению за ходом процесса. Если оптимизация выполняется сравнительно редко (например, 1 раз в сутки), либо при изменении исходного сырья или состава выпускаемой продукции, то по результатам анализа, либо команде оператора автоматически вводятся новые параметры в контуры регулирования. Примером влияющей переменной является температура окружающего воздуха. Очевидно, что она очень важна в некоторых процессах, но использовать ее в качестве входной величины каждого регулятора нецелесообразно. Анализируя температуру в «супервизоре» в качестве одной из переменных, для компенсации возможного влияния, можно использовать этот канал изменяя уставки каждому регулятору.

 

Рис. 1.5. Варианты включения пневматической системы в АСУ ТП

ТОУ – технологический объект управления, пД – пневматический датчик, пИМ – пневматический исполнительный механизм, пР – пневматический регулятор, П/Э, Э/П - пневмоэлектрический и электропневматический преобразователи, ИВК – информационно вычислительный комплекс, эР электрический, цифровой локальный регулятор.

Вмешательство человека требуется лишь при возникновении каких-то редких, непредвиденных (например, аварийных) ситуаций. Остается также необходимость вносить коррективы в управление процессом при кардинальных изменениях, например, переконфигурации системы. Это часто требует определения новых значений коэффициентов уравнений, описывающих технологический объект управления. Соответствующие расчеты могут предусматриваться и выполняться ИВК, т.к. ЭВМ может быть использована для моделирования изменений технологического процесса до их осуществления (в режиме советчика).

Важным достоинство систем супервизорного управления состоит в том, что в них ВК не только непрерывно контролирует процесс, но и автоматически управляет им с помощью локальных регуляторов вблизи оптимальной точки.

Схема супервизора применяется в современных 2-х уровневых микроконтроллерных АСУ ТП, когда регуляторы реализованы на управляющей машине низкого уровня, но корректировка при общих изменениях, например, увеличение или уменьшение нагрузки, необходима, рассчитывается на машине верхнего уровня и «доводится» до всех контуров управления.

Достоинство супервизорной схемы в её повышенной живучести. Выход из строя ЭВМ верхнего уровня или сбой не приводит к прекращению работы локальных стабилизирующих регуляторов и объект продолжает нормально функционировать, возможно, не в оптимальной точке. Выход из строя одного локального регулятора также не приводит к полному останову системы, т.к. один контур можно стабилизировать вручную. Отключение ВК и всех локальных регуляторов маловероятно.

Супервизорная схема сейчас применяется при использовании современных «интеллектуальных» датчиков (микроконтроллерных), которые могут осуществлять простую стабилизацию параметров, а коррекция на них вводится с машины верхнего уровня.

Дальнейшим развитием супервизорной схемы является система с распределенными параметрами, когда идет рассредоточение аппаратуры и решаемых задач по уровням АСУ ТП.

 

V. АСУ ТП с вычислительным комплексом, выполняющим функции непосредственного (прямого) цифрового управления (НЦУ)

В АСУ ТП, вычислительный комплекс которой работает в режиме непосредственного цифрового управления («стрелка» 4, рис. 1.4), сигналы, используемые для приведения в действие исполнительных механизмов, поступают непосредственно от модулей вывода ВК и соответствующие регуляторы исключаются из схемы или используются как резерв. Концепция НЦУ позволяет заменить совокупность регуляторов с задаваемыми им супервизором уставками на вычислительный комплекс. Ответственность такой схемы очень высока, сбой приводит к полной остановке объекта.

Сложные задачи управления крупными агрегатами и процессами требуют для своего решения организации взаимосогласованного действия отдельных управляющих контуров.

В основном, на УВК реализуется традиционный набор локальных регуляторов. Изменение задания и настроечных параметров реализуется внутри одной системы, виртуально, можно даже кардинально менять закон регулирования и легко осуществлять переконфигурацию схемы.

При наличии НЦУ оператор имеет возможность вносить существенные изменения в настройки системы с одного места, с клавиатуры. Правда, обычно доступ к управляющей программе оператора – технолога ограничен, его возможности очерчиваются заранее оговоренными рамками (БУ, ЗУ, запорные органы, реже, настройки регулятора).

Изменения в хранимой программе должны быть тщательно подготовлены (и апробированы), её необходимо полностью проверить (и технические решения и синтаксис) перед использованием для реального применения. (Открытые – закрытые).

В современных АСУ ТП сложными технологическими процессами чаще всего применяются комбинированные схемы (2-х, 3-х импульсное регулирование, по возмущению и отклонению), причем число параметров практически неограниченно, а структура регулятора может перестраиваться. Применение УВК с полным набором технологических параметров позволяет также просто реализовывать системы каскадного и многосвязного управления, учитывающие взаимозависимость между отдельными участками объекта управления («отслеживание» прохождения возмущения). Прямое управления позволяет реализовать с одного АРМа не только оптимизирующие функции, но и операции переключения запорных и исполнительных механизмов основного и вспомогательного оборудования, необходимые в режимах пуска – останова, нештатных ситуациях.

Наиболее очевидный недостаток систем с НЦУ проявляется при отказе ядра – УВК (аппаратный, программный, энергетический сбой), который может привести к полной потери управляемости объекта и аварийному останову. Поэтому применяют резервирование: УВК + локальные регуляторы, дублирование основных элементов (каналов и контроллеров), разделение информационных и управляющих функций. Это повышает надежность и одновременно стоимость системы, что должно обосновываться экономически.