Реальные промышленные объекты управления обычно являются многомерными, т.е. имеют несколько входов и несколько выходов. Необходимо обеспечить управление несколькими управляемыми величинами объекта, его выходными величинами, путем воздействия на несколько его входов. Также следует учесть еще и несколько возмущений. Особенность управления таким, достаточно сложным в описании объектом, состоит в том, что воздействие по одному входу может привести к изменению не одной, а сразу нескольких управляемых величин.
Работа по анализу и оптимизации системы управления сводится к выполнению некоторых математических операций, в результате которых может быть получена оптимальная в некотором смысле система управления. Для описания многомерных объектов и систем используется метод переменных состояния. Его применение обусловлено тем, что уравнения различных объектов имеют стандартный вид, что позволяет анализировать их свойства, в частности устойчивость, типовыми методами.
Процессы сушки относятся к объектам с элементами запаздывания, поэтому при описании математической модели в терминах переменных состояния необходимо учитывать то, что каждая переменная состояния исходной модели, не учитывавшей задержки, может быть задержана на некоторое время соответствующим звеном запаздывания.
Анализ вопроса автоматизации процессов сушки показал, что существующие классические локальные САР не в полной мере учитывают многомерность и многосвязность данного процесса. Поэтому, учитывая вышесказанное, применение современных методик синтеза многомерных робастных регуляторов, синтез которых требует математического описания многомерного объекта в терминах переменных состояния, является актуальной задачей.
Цель: исследовать алгоритмы синтеза САУ и проанализировать динамику системы управления многомерным объектом с элементами запаздывания на примере сушильного агрегата.
Задачи магистерской работы:
1. Анализ технологического процесса как многомерного объекта управления с точки зрения материальных потоков и их информационных переменных.
2. Обоснование выбранного способа управления и разработка функциональной схемы.
3. Синтез многомерного оптимального регулятора с учетом возмущающих воздействий.
4. Сделать рекомендации по технической реализации системы автоматического управления (САУ).
5. Выполнить расчет ожидаемого экономического эффекта от внедрения САУ.
Сушка – тепловой процесс обезвоживания твердых материалов путем испарения влаги и отвода образующихся паров.
Во вращающийся барабан дозатором из бункера подается влажный материал, где он постепенно перемещается вдоль по уклону барабана. В том же направлении в барабан поступает сушильный агент – горячий воздух, нагреваемый в топке за счет сжигания топливного газа.. Материал нагревается и содержащаяся в нем влага испаряется. Выделяющиеся водяные пары удаляются из сушилки вместе с отработанным газом. Вместе с газом увлекается часть тонкозернистого материала, поэтому отработанный сушильный агент перед выбросом в атмосферу очищается от пыли в циклоне. Высушенный материал разгружается в конце барабана в бункер (Рис. 1). На концах барабана часто устанавливают уплотнительные устройства, затрудняющиеся утечку сушильного агента.
Рисунок 1. Сушильная установка (1 – бункер влажного материала 2 – дозатор 3 – печка 4 – смесительная камера;
5 – сушильная камера 6 – бункер сухого материала 7 – циклон)
Барабанные сушилки широко применяются для непрерывной сушки при атмосферном давлении кусковых, зернистых и сыпучих материалов.
В качестве теплоносителя используются топочные газы, получаемые в топке в результате сжигания топлива.
Цель управления процесса сушки заключается в обеспечении высушивания поступающего влажного твердого материала до заданного значения влажности.
Барабанные сушилки предназначены для сушки сыпучих материалов топочными газами или горячим воздухом в производствах химической или других отраслях промышленности. Барабанные сушилки – аппараты непрерывного действия. Они работают по принципу прямотока, т.е. материалы и горячие газы внутри барабана движутся в одном направлении. Это помогает избежать перегрева материала, так как в этом случае наиболее горячие газы соприкасаются с материалом, имеющим наибольшую влажность.
Достоинством сушильных барабанов является высокий удельный съем продукции с 1м² внутренней поверхности и влаги с 1м³ объема барабана, равномерная сушка материала, небольшой удельный расход топлива. Недостатком – унос мелких фракций материала с отходящими газами, что вызывает необходимость установки пылеуловителей в вентиляционной системе.
Сушильной камерой в барабанных сушилках служит барабан, который имеет цилиндрический кожух. К кожуху прикреплены два бандажа на чугунных башмаках. Они служат опорой барабана и сообщают ему вращение благодаря перекатыванию на двух парах опорных роликов. Барабан размещают таким образом, чтобы его ось была наклонена к горизонтальной плоскости на угол 3º в сторону выхода материала. Для предотвращения продольного перемещения барабана на одной из опор установлены два опорных ролика. Привод барабана – от электродвигателя через редуктор и зубчатую передачу, зубчатый венец которой установлен на барабане и закрыт защитным кожухом.
В начальной по ходу материала зоне барабана установлена приемно-винтовая насадка. В этой зоне материал, перемещаясь, предварительно подсушивается. Следующая насадка – лопастная. Она предназначена для равномерного распределения и перемешивания сушимого продукта при вращении барабана по его сечению с целью обеспечения развитой поверхности контакта с горячим теплоносителем. И последняя насадка – комбинированная лопастно-секторная.
Полость барабана разделена на четыре ячейки, к стенкам которых приварены лопасти. Для обеспечения равномерной сушки материала необходимо, чтобы периметры этих ячеек и степень их заполнения были одинаковыми. При вращении барабана материал в ячейках пересыпается с лопасти на лопасть. Лопасти перемешивают и поднимают материал равномерно распределяя его по барабану, затем частицы падают вниз, пересыпаются с полки на полку и высушиваются под действием горячего воздуха (непрямой нагрев) или смеси воздуха с топочными газами (прямой нагрев), который забирается из теплогенератора через барабан с помощью вентилятора путем создания разряжения внутри барабана. В местах примыкания барабана к топочной и разгрузочной камерам на кожухе укреплены уплотнительные кольца.
Сырой материал поступает в барабан по трубе. Чтобы материал не попадал в топочную камеру, на входном конце барабана устанавливают направляющий конус.
Нагрев воздуха осуществляется теплогенераторами прямого или непрямого нагрева работающих на газу, дизельном топливе, мазуте, электричестве или твердом топливе. Теплогенераторы вырабатывают большой поток горячего чистого воздуха. Нагрев воздуха происходит за счет передачи тепла, образующегося в процессе горения топлива в герметичной камере сгорания. Продукты сгорания из камеры поступают в пластинчатый теплообменник, а затем, через дымоотводящий патрубок, удаляются за пределы обогреваемого объекта.
При работе горячие газы, имеющие температуру 1000–1100ºС, поступают в смесительную камеру. Смешиваясь здесь с холодным воздухом, газы при температуре 800–900ºС направляются в барабан, прогревая сырой материал и удаляя из него влагу. На выходе из барабана газы остывают до температуры 100–150ºС и отсасываются вентилятором, а высушенный материал поступает в разгрузочную камеру.
Назначение сушильного агрегата – это выдача просушенного сыпучего материала заданной влажности. Поэтому главными технологическими управляемыми величинами сушильного агрегата являются производительность и влажность продукта на выходе агрегата. Кроме того, для поддержания процесса сушки в оптимальном режиме требуется поддерживать правильные значения и других, вспомогательных технологических параметров.
В процессе работы сушильного агрегата на него действуют не только главные управляющая величина (подача газа) и возмущение (т.н. «производительность по входу», т.е. скорость подачи влажного сыпучего материала в печь), но и другие воздействия. Это подача воздуха для поддержания правильной температуры сушильного агента (горячего воздуха с примесью продуктов сгорания), а также влажность подаваемого материала, которая может меняться в некоторых пределах. Кроме того, подача воздуха, необходимого для оптимального горения газовой горелки, разрежение внутри барабана и др.
Рассмотрим технологию сушки с точки зрения управления этим процессом. Обычно сушилка находится в технологической цепочке и поэтому производительность ее определяется величиной подачи материала на сушку, задаваемой предыдущими технологическими процессами. При работе в автономном режиме производительность сушилки задается оператором. Поэтому с точки зрения управления непосредственно процессом сушки подача материала, а, следовательно, и жестко связанная с ней производительность сушилки, не поддается внутреннему регулированию, все остальные процессы должны подстраиваться под заданную извне производительность сушилки.
Отсюда следует, что производительность сушилки, или что практически то же самое, скорость подачи материала в сушильный барабан, является возмущением для всех внутренних, обеспечивающих непосредственно функционирование сушилки, систем управления. Итак, главная технологическая входная величина сушильного агрегата и главная технологическая выходная величина являются с точки зрения управления непосредственно процессом сушки и его оптимизации, возмущениями.
Аналогичная ситуация и с влажностью материала на входе сушилки. Она определяется предыдущими технологическими процессами, не может регулироваться при управлении непосредственно сушильным агрегатом, и поэтому, влажность материала на входе является возмущением с точки зрения процесса управления сушкой.
В результате, схему объекта управления с точки зрения основных материальных потоков и их информационных переменных можно представить в следующем виде (Рис.2):
Рисунок 2. Схема объекта управления с точки зрения основных материальных потоков и их информационных переменных
За последнее время в технологии автоматизации сложных объектов и процессов стали чаще использоваться многомерные регуляторы. Многомерные системы характеризуются рядом особенностей, главной из которых является значительное взаимное влияние контуров регулирования при поддержании значений технологических параметров в требуемом диапазоне. Основной проблемой многомерных регуляторов являются перекрестные связи.
При управлении процессами сушки в прямоточной барабанной сушилке следует регулировать соотношение расхода топлива и первичного воздуха, влажного материала, температуру сушильного агента на входе и выходе из сушилки, температуру в сушилке, разрежение в смесительной камере.
Многоконтурное регулирование уменьшает время запаздывания управляющих сигналов. Полнота сгорания топливного газа обеспечивается системой регулирования соотношения расходов топливного газа и первичного воздуха.
Реагируя на возрастание температуры в смесительной камере, контроллер увеличивает подачу воздуха из вентилятора. Также можно увеличить скорость подачи влажного материала.
Функциональная схема управления сушильным барабаном приведена на Рис. 3.
Рисунок 3. Функциональная схема САУ
(Gт – расход топлива, Gпв – расход воздуха, Gвм – расход влажного материала)
Теплогенератор предназначен для непосредственного получения нагретого теплоносителя в процессе сжигания различных видов топлива. Топливом может служить природный газ, дизельное топливо.
Нагретый воздух поступает через топку в смесительную камеру. Сигналы с датчика температуры (ДТ) и с датчика расхода воздуха (ДР1) поступают на ПЛК. Выходной сигнал воздействует на клапан, который установленный на линии подачи вторичного воздуха в смесительную камеру.
Далее влажный материал и нагретый воздух поступают в сушильный барабан. Там стоит датчик давления (ДД), который измеряет разряжение в барабане. Сигнал с него вместе с сигналом датчика расхода воздуха (ДР2) поступает на ПЛК. Он регулирует степень открытия клапана, который установленный на линии подачи воздуха из вентилятора.
Высушенный материал поступает в бункер сухого материала. С помощью влагомера измеряется влажность материала, и передается на ПЛК. Выходной сигнал из контроллера воздействует на клапан, установленный на выходе из теплогенератора.
ПЛК последовательно формирует запрос каждому датчику, принимает от него ответ и сохраняет эти данные. Для связи с ЭВМ используется преобразователь интерфейсов RS-485/USB. Он может позволить подключать к промышленной информационной сети RS-485 персональный компьютер, имеющий USB-порт.
Выбор режима управления (ручного/автоматического) осуществляется с компьютера верхнего уровня. В системе предусмотрен режим сигнализации при существенных отклонениях влажности сухого материала от заданного значения.
При незапланированном отключении питания формируется сигнал «Аварийный стоп». При этом прекращается подача материала и топлива.
Функциональная схема объекта, полученная в процессе анализа технологии и выбора каналов управления, показывает совокупность основных управляемых величин и управляющих и возмущающих воздействий, а также указывает на их взаимодействие. Управление производительностью сушильного агрегата осуществляется разомкнутой САР с жестким управлением (рис. 4).
Рисунок 4. Структурная схема САУ
Система управления сушильным агрегатом состоит из нескольких САР и систем контроля. В том числе:
- внешняя САР управляет производительностью агрегата. В данном случае это разомкнутая САР с жестким управлением, но в принципе это может быть и замкнутая САР с управлением по отклонению. Разомкнутая САР производительности с жестким управлением в данном случае не учитывает реальные значения влажности на входе и выходе. Поэтому производительность задается по существу темпом загрузки материала, т.н. «производительностью по входу». Реальная производительность будет отличаться от темпа загрузки на величину испаренной в сушилке влаги;
- главная САР поддерживает влажность материала на выходе на заданном оператором уровне;
- вспомогательная САР управляет соотношением газ/воздух, обеспечивая оптимальные условия для сгорания газа.
Система управления сушильным агрегатом, представляющим собой многомерный многосвязный объект, может быть построена в виде иерархической структуры, состоящей из параллельно, одновременно работающих и связанных САР. Внешней, по отношению к процессу сушки, является САР производительности, задание для которой определяется оператором или технологией. Остальные САР обеспечивают качество процесса сушки. Главная из них обеспечивает требуемую влажность материала на выходе. Вспомогательная – оптимизирует процесс горения и сушки.
Имея структурную схему многомерного объекта управления и систем управления им, можно создать математическую модель объекта по каждому каналу и провести оптимизацию параметров элементов контуров так же, как это делается для объекта с одной управляющей и одной управляемой величинами. Затем нужно оценить перекрестное влияние управляющих величин при параллельной работе всех САР и, при необходимости, уточнить настройки регуляторов, исключая потенциальную возможность перехода САР в неустойчивое состояние.
Средствами MATLAB Simulink было получено описание многомерного объекта в терминах пространства состояний. Модель объета управления показана на рис.5.
Рисунок 5. Модель объекта управления сушильным агрегатом
Полученная система соответствует схеме объекта с описанием материальных потоков, которая приведена на
Динамика процесса сушки определяется двумя факторами: временем прохождения сушильного газа, представляющего собой смесь процессов горения с добавлением стороннего воздуха, и временем перемещения концентрата по длине сушильного барабана. При ступенчатом изменении управляемой величины, т.е. подачи газа, в течение 80 сек фронт изменения температуры осушающих газов пройдет вдоль печи. Это может быть промоделировано запаздыванием на 80 сек. Линейная динамическая модель по каналу управления будет представлять собой последовательное соединения звена запаздывания и апериодического звена. Переходную характеристику по каналу возмущения, по реакции сушильного агрегата на ступенчатое изменение подачи концентрата, можно задать как результат чистой задержки, которая равна 150 сек.
Опишем объект управления предварительно исключив из него звенья запаздывания, заменив их прямыми жесткими связями. В этом случае объект без запаздывания может быть описан в традиционной форме Коши (1):
(1)
Первое матричное уравнение в системе (1) может быть записано в следующем виде:
(2)
где L – матричный оператор дифференцирования:
(3)
Дополним набор переменных состояния уравнения (2) таким же числом переменных состояния, соответствующих выходным сигналам звеньев запаздывания:
(4)
где – формальный матричный оператор дифференцирования:
(5)
В матрице (5) коэффициент равный единице, если звено запаздывания для некоторой переменной состояния имеется, и равно нулю, если таковое отсутствует. Оператор описывает значение функции, опережающее по времени текущее на интервал τ.
Операторная матрица получена из исходной операторной матрицы L путем добавления строк соответствующих задержкам по времени исходных переменных состояния. Справа матрица дополнена таким же количеством нулевых столбцов.
Поскольку может быть, что не все исходные переменные состояния задерживаются, что соответствует = 0, то эти строки и столько же нулевых столбцов справа исключается из конечной операторной матрицы.
Матрица внутренних связей между переменными состояния объекта с учетом звеньев запаздывания принимает вид:
(6)
В компактном виде матрицы (5) и (6) можно представить так:
(7)
Матрица теперь должна содержать столько же строк, что и матрицы и . Поскольку к исходным «инерционным» переменным состояния были добавлены «запаздывающие» переменные состояния, то следует модифицировать и уравнение выхода:
(8)
Матрица содержит столько же столбцов, что и матрицы и , их число равно числу переменных состояния.
Номинальная производительность печи сушки концентрата 100 т/час. При номинальной подаче материала в сушилку и при номинальной влажности концентрата на входе в 40 % требуется, чтобы влажность концентрата на выходе составяла 3%. Для обеспечения оптимального процесса сушки необходимо поддерживать в горелке значение соотношения газ/воздух равное 1:10.
Промоделируем систему управления, представленную на рис.4, в Matlab с учетом оператора запаздывания Fwd . В качестве закона регулирования выбран ПИД-закон. В результате моделирования получим переходные процессы, представленные на рис. 6, рис. 7 и рис. 8. Эти процессы соответствуют заданным условиям.
Рисунок 6. Количество сухого материала,т
Рисунок 7. Влажность материала,%
Рисунок 8. Соотношение газ/воздух, относ.ед.
В результате введения оператора Fwd, уравнения состояния объекта с задержками принимают ту же самую традиционную форму. Однако размерность матриц увеличивается на число переменных состояния, соответствующих звеньям запаздывания в объекте. Уравнения состояния, приведенные выше, отображают все фундаментальные инерционно-динамические и пространственно-временные свойства непрерывных линейных физических объектов, включая как динамические их свойства, так и пространственную протяженность объектов и связанные с этим задержки в распространении сигналов. Матрица A определяет, отражает физические связи внутри объекта.
При написании данного автореферата квалификационная работа магистра еще не завершена. Дата окончательного завершения работы: декабрь 2013 года. Полный текст работы и материалы по теме работы могут быть получены у автора или его научного руководителя после указанной даты.
источник
В качестве объекта управления имеем ректификационную установку для разделения бинарной смеси, состоящую из насадочной ректификационной колонны, выносного кипятильника, дефлегматора, теплообменника для подогрева питающей смеси и сборника конденсата.
Ректификационная установка является сложным многомерным объектом управления со значительной инерционностью и временем запаздывания по каналам регулирования. Так, воздействие на расход пара в кипятильник вызывает изменение состава кубовой жидкости и дистиллята, а также давления в колонне и уровня кубового остатка. Кроме того, для данного объекта имеет место распределение состава потоков и температур по высоте колонны. Возмущающими воздействиями являются изменения параметров питающего потока, тепло- и хладоносителей, изменения свойств теплопередающих поверхностей. Наиболее сложным случаем управления ректификационной установкой является случай, когда целевыми потоками являются как поток дистиллята, так и поток кубовой жидкости. В таком случае требуется поддерживать заданный состав обоих потоков, а воздействие на состав кубовой жидкости или косвенно на ее температуру приводит к возмущению состава дистиллята через изменение расхода пара из кипятильника и, наоборот, воздействие на расход флегмы с целью стабилизации состава дистиллята влияет на состав кубовой жидкости. Взаимное влияние управляющих воздействий по обоим каналам на управляемые параметры вызывают дестабилизацию режима работы ректификационной колонны.
Трудности в одновременной стабилизации состава кубовой жидкости и дистиллята могут быть преодолены двумя способами. Первый способ состоит в автономном регулировании обоих параметров путем воздействия не только по основному каналу регулирования, например, изменением расхода греющего пара в кипятильник, но и компенсируя возмущение по перекрестному каналу, например, изменением расхода флегмы. Настроить такие контуры регулирования при соблюдении полной автономности довольно трудно. Второй способ состоит в управлении по возмущению с использованием математической модели насадочной ректификационной колонны. При использовании этого способа необходимо измерять состав и расход питающего потока (возмущающие параметры). Для текущих значений расхода и состава питающего потока находятся с помощью математической модели производительность кипятильника и расход флегмы, при которых обеспечиваются требуемые составы кубовой жидкости и дистиллята. Требуемый расход флегмы выдается в качестве задания регулятору расхода флегмы, а требуемая производительность кипятильника обеспечивается заданием по давлению греющего пара в рубашке кипятильника.
Давление по высоте ректификационной колонны неодинаковое, в кубе колонны давление более высокое, чем в ее верхней части. Стабилизация давления в какой-либо точке по высоте производится изменением расхода хладоносителя в дефлегматор в том случае, если в составе газофазного потока, выходящего из колонны, отсутствуют инерты, то есть неконденсирующиеся в дефлегматоре компоненты. Если инерты имеются с составе газового потока, то дефлегматор не является конденсатором полной конденсации и давление в колонне может быть поддержано только сдувкой инертов. В этом случае расход хладоносителя, подаваемого в дефлегматор, изменяется по температуре дистиллята.
Подогреватель питающего потока должен нагреть питающий поток до температуры кипения, которая устанавливается на высоте ввода питания в колонну. Обеспечить выполнение этого условия можно с помощью каскадного регулирования температуры. Внутренним регулятором является регулятор температуры питающего потока изменением подачи теплоносителя в теплообменник, а задание этому регулятору дает пропорциональный регулятор, на вход которого поступает сигнал от датчика температуры, установленного на месте ввода питания.
Внешний регулятор обязательно должен иметь только пропорциональную составляющую управляющего воздействия, поскольку работает в разомкнутом контуре со статической ошибкой. Изменением его коэффициента регулирования и задания добиваются, чтобы оба регулятора имели одинаковое показание, равное температуре на питающей тарелке.
Уровень кубовой жидкости может быть стабилизирован изменением скорости выгрузки кубовой жидкости. При таком регулировании уровня не вносится возмущающего воздействия по составу кубовой жидкости, так как выгружаемый поток имеет тот же состав, что и поток в кубовой части колонны.
Кроме регулирования уровня в кубе колонны необходимо регулировать уровень в сборнике конденсата изменением выгрузки дистиллята на склад.
источник
2.2 Анализ технологического процесса как объекта управления
В составном цехе подготовки шихты аппаратом с непрерывным регулированием является сушильный барабан песка.
Основным регулируемым параметром в барабане является температура сушки песка. Перед системой автоматизации процесса сушки стоит задача поддержания на заданных значениях и ряда других регулируемых параметров:
· разрежение в топке сушильного барабана
· влажность высушиваемого материала;
· качество сгорания топлива.
Поддержание выше перечисленных параметров на заданных значениях осуществляется изменением следующих регулирующих параметров.
Регулирование температуры в сушильном барабане осуществляется путём изменения подачи газа на горелки.
Разрежение в топке регулируется изменением количества отходящих дымовых газов.
Влажность высушиваемого материала регулируется изменением количества воздуха, подаваемого на сушку.
Качество сгорания топлива регулируется изменением количества воздуха, подаваемого на горение.
Качественному регулированию процесса препятствует наличие возмущающих воздействий:
Возмущающие измеряемые величины:
· параметры газа (давление, температура, влажность);
· параметры воздуха (давление, температура, влажность);
· влажность и температура сырья.
Возмущающие неизмеряемые параметры:
Наиболее влиятельными возмущениями являются влажность и температура сырья, поступающего на сушку. Эти параметры не является регулируемыми. Но их можно измерять и учитывать изменение при регулировании.
2.3 Выбор структуры системы управления и регулирования
В данном проекте предлагается следующая структура АСУ ТП.
На первом уровне предлагается установить локальные средства автоматизации и микроконтроллеры, которые получают информацию сразу о нескольких параметрах состояния объекта. Используя встроенный язык программирования в микроконтроллере можно реализовать любые самые сложные алгоритмы управления. На этом уровне происходит первичная обработка информации и формирование некоторых интегральных показателей, таких как количество используемого сырья и т.д.
На втором уровне располагается ЭВМ. На этот уровень возложены функции индикации и регистрации. На этом уровне происходит так же формирование законов регулирования для микроконтроллеров первого уровня. Подключённые к ЭВМ устройства ввода и вывода (в минимальной конфигурации клавиатура и монитор) образуют автоматизированное рабочее место оператора. ЭВМ позволяет оператору осуществлять ручное управление процессом. На втором уровне происходит вторичная обработка информации, идентификация предаварийных ситуаций и их сигнализация. На второй уровень также возложены функции взаимосвязи с другими АСУ ТП.
Для проектируемой АСУ ТП основными являются технико-экономические задачи:
· экономия топлива, сырья и материалов;
· снижение себестоимости продукции;
· повышение качества продукции;
· достижение оптимальной загрузки технологического оборудования;
· обеспечение безопасности функционирования объекта;
· оптимизация режимов работы технологического оборудования.
Современные системы автоматизации строятся в виде многоступенчатых структур, последовательно осуществляющих все необходимые функции контроля и управления.
При этом на первой ступени обеспечивается управление отдельными агрегатами, установками и участками преимущественно посредством локальных систем контроля и управления и систем управления с применением микропроцессоров и ЭВМ.
На второй ступени обеспечивается обслуживание самостоятельных производственных комплексов, производств, линий, участков, цехов, связанных между собой общностью технологического процесса. На этой ступени системы управления с применением ЭВМ обеспечивают координацию работы подчинённых производственных единиц, распределение нагрузок между параллельно работающими установками, оптимизацию заданных показателей работы посредством воздействия на местные системы управления.
На следующей высшей ступени управления система автоматизации обеспечивает решение сложных задач по координации работы всех производственных и вспомогательных подразделений технологического объекта, распределению нагрузок и обеспечению оптимизации работы предприятия. Решение этих задач связано с рациональной организацией текущего и перспективного планирования, с учётом и анализом производственной деятельности предприятия и т.д.
Разрабатываемая АСУ ТП будет выполнять задачи, характерные для первой и второй ступеней управления.
Возможно несколько вариантов реализации АСУ ТП.
АСУ ТП, реализующая ручной режим, при котором комплекс технических средств выполняет информационные функции централизованного контроля и вычисления комплексных технических и технико-экономических показателей. Выбор и осуществление управляющих воздействий производит человек (оператор).
АСУ ТП, реализующая режим «советчика», при котором комплекс технических средств на основе анализа исходной информации разрабатывает рекомендации (советы) по управлению и осуществляет поиск оптимальных решений, а решение об их использовании принимается и реализуется оперативным персоналом.
АСУ ТП, реализующая автоматический режим, при котором комплекс технических средств реализует управляющие функции. Целью этих функций является автоматическая выработка и осуществление управляющих воздействий на технологический объект управления. При этом различают режим супервизорного управления, когда средства управляющего вычислительного комплекса автоматически изменяют уставки и параметры настройки локальных регулирующих устройств вблизи точки оптимального ведения процесса, и режим прямого, непосредственного цифрового управления, когда управляющий вычислительный комплекс формирует воздействие непосредственно на исполнительные механизмы, а регуляторы вообще исключаются из схемы управления.
Разрабатываемая АСУ ТП будет работать в автоматическом режиме и объединит:
1). Локальные средства автоматизации, установленные непосредственно на технологическом оборудовании и коммуникациях и осуществляющие сбор, первичное преобразование информации и передачу ее в измерительные преобразователи-контроллеры;
2). Преобразователи-контроллеры первого уровня, предназначенные для сопряжения ЭВМ с объектом и реализации законов регулирования. Эти контроллеры имеют блочную структуру и позволяют подключать модули аналогового и дискретного ввода и вывода, модули для подключения термопар. Рабочие диапазоны настраиваются программным путем. Программируемость этих контроллеров позволяет реализовывать на них любые законы регулирования, при этом ресурсы ЭВМ вышестоящего уровня высвобождаются для решения других задач. Все микроконтроллеры подключаются к ЭВМ посредством унифицированного интерфейса обмена данными.
3). Электронно-вычислительную машину второго уровня, выполняющую функции индикации, регистрации, управления, идентификации и сигнализации предаварийных ситуаций. В качестве ЭВМ предлагается использовать промышленную рабочую станцию. Такие машины предназначены для эксплуатации в цеховых условиях, имеют достаточную вычислительную мощность и высокую надежность. Открытая архитектура позволяет подключать практически любое количество внешних преобразователей, что очень важно для возможного расширения системы. Подключенные к ЭВМ устройство ввода и вывода (в минимальной конфигурации клавиатура и принтер) образуют автоматизированное рабочее место оператора, и позволяют оператору осуществлять ручное управление процессом.
Предлагаемая автоматизированная система управления технологическим процессом позволит решать все требуемые задачи автоматизации.
Структура АСУ приведена в документе ДП-210200-833-2005 А1.
источник
В данной лекции мы рассмотрим: особенности технологических процессов как объектов управления (распределенность выходных переменных, транспортные запаздывания, многосвязанность, нестационарность, нелинейность); типовые схемы автоматического регулирования технологических переменных (расхода, давления, температуры, уровня, концентрации и т.п.)·
Технологический процесс составляет основу любого производственного процесса, является важнейшей его частью, связанной с переработкой сырья и превращением его в готовую продукцию. Технологический процесс включает в себя ряд стадий («стадия» — по-гречески «ступень»). Итоговая скорость процесса зависит от скорости каждой стадии. В свою очередь, стадии расчленяются на операции. Операция — это законченная часть технологического процесса, выполняемая на одном рабочем месте и характеризуемая постоянством предмета труда, орудий труда и характером воздействия на предмет труда. Практически любой конкретный технологический процесс можно рассматривать как часть более сложного процесса и совокупность менее сложных технологических процессов. В соответствии с этим технологическая операция может служить элементарным технологическим процессом. Элементарный технологический процесс Это простейший процесс, дальнейшее упрощение которого приводит к потере характерных признаков технологического процесса.
Поэтому наиболее наглядную структуру технологического процесса можно представить на примере простой операции, обладающей одним рабочим ходом и комплексом вспомогательных ходов и пере: ходов, обеспечивающих ее протекание.
Развитие технологических процессов, а также их важнейшие технико – экономические показатели и построение технических систем происходит в соответствии с определенными закономерностями, которые будут рассматриваться в данной работе, невзирая на скудность информационного поля, вызванного недостаточной степенью изученности данной проблематики.
По характеру протекания технологические процессы делятся на непрерывные, периодические и дискретные.
Непрерывным называется такой процесс, в котором конечный продукт вырабатывается до тех пор, пока подводится сырье, энергия, катализаторы, управляющие воздействия. К таким процессам можно отнести, например, процессы переработки нефти.
Периодическим является технологический процесс, в котором за сравнительно небольшой промежуток времени (часы или дни) вырабатывается определенное, ограниченное количество конечного продукта. При этом в течение отведенного промежутка времени периодический процесс является непрерывным. Примером периодического процесса может быть технологический процесс плавки металла в доменной печи.
Дискретным называется технологический процесс, в котором конечный продукт вырабатывается за определенные промежутки времени, и этот процесс можно остановить, а также продолжить с любой технологической операции без снижения заданного уровня качества. Можно назвать такие примеры, как: процесс сборки изделий на конвейере, испытание готовых изделий и т.п.
Большинство технологических процессов требуют четкого управления ими. В общем случае, необходимость управления технологическими процессами диктуется следующими факторами:
· необходимость поддержания состава и количества входных компонентов на заданном уровне для обеспечения необходимого качества готового продукта;
· непрерывное изменение (подстройка) параметров технологического процесса, что связано с постоянным износом орудий труда и переменным составом сырья;
· пуск и остановка некоторых технологических процессов требует выполнения специфических точно синхронизированных операций и др.
Предметом изучения в данном курсе являются проблемы автоматизации основных химических производств. Основные химические производства и составляющие их технологические процессы мы и рассматриваем в данном курсе как объекты управления. Таким образом, мы далее рассмотрим химико-технологические объекты управления (ТОУ).
· ТОУ — это совокупность совместно функционирующих технологического оборудования и реализованного на нем технологического процесса.
· К ТОУ относят как отдельные технологические агрегаты и установки, реализующие локальный технологический процесс, так и целые производства (участки, цехи). Существуют «супер-ТОУ» — установки, включающие сотни технологических аппаратов (на нефтеперерабатывающих заводах).
· Оборудование ТОУ должно быть полностью механизировано и должно безотказно работать в межремонтный период.
· ТОУ должен быть управляем, т.е. разделен на определенные зоны с возможностью воздействия на технологический режим в каждой из них изменением материальных и энергетических потоков.
· Возможность воздействия на характеристики оборудования.
· Возможность доступа обслуживающего персонала к местам установки датчиков, исполнительных механизмов, регулирующих органов.
· Число возмущающих воздействий должно быть сведено к минимуму, что возможно в результате установки: ресиверов; емкостей с мешалками; теплообменников, уменьшающих амплитуду и частоту изменения таких параметров, как давление, состав, температура.
Типовая схема технологического производства химических продуктов показана на рисунке 7.1. Типовая технологическая схема производства состоит из стадий подготовки сырья, химического синтеза, выделения и очистки целевых продуктов и др.
Рисунок 7.1 — Типовая схема технологического производства химических продуктов
Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском:
Лучшие изречения: Только сон приблежает студента к концу лекции. А чужой храп его отдаляет. 8900 — 
| 7579 — 
или читать все.
193.124.117.139 © studopedia.ru Не является автором материалов, которые размещены. Но предоставляет возможность бесплатного использования. Есть нарушение авторского права? Напишите нам | Обратная связь.
Отключите adBlock!
и обновите страницу (F5)
очень нужно
источник
АНАЛИЗ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА КАК ОБЪЕКТА УПРАВЛЕНИЯ.
1.Научиться анализировать технологические процессы (установки) как объекты управления, выявлять их свойства и характеристики, важные с точки зрения задач автоматизации.
2.Приобрести навыки по разработке схем автоматизации технологических процессов с применением средств локальной автоматики.
1 Методика анализа технологического процесса
Объект управления – динамическая система, характеристики которой изменяются под влиянием возмущающих и управляющих воздействий. Объектами управления могут быть машины, аппараты в которых протекает технологический процесс. Как известно, регулирование –наиболее распространенная разновидность управления непрерывными технологическими процессами. Как и всякая система управления САР состоит из объекта регулирования и соответствующих технических средств автоматизации.
Технологические параметры, которые характеризуют состояние объекта регулирования и в процессе его работы должны соответствовать определенным значениям, называются регулируемыми параметрами.
Действительные значения регулируемых параметров в каждый момент времени называются текущими значениями.
На состояние объекта регулирования и следовательно на на значения регулируемых параметров влияют факторы, которые называются воздействиями.
Существуют возмущающие воздействия, которые действуют произвольно, вызывая нежелательные отклонения регулируемых параметров от заданных значений; а задача системы регулирования заключается в компенсации влияния возмущающих воздействий на объект регулирования, что достигается целенаправленным изменением других регулирующих воздействий.
Возмущающие и регулирующие воздействия можно рассматривать как входные сигналы для объектов регулирования.
Параметры, действующие на технологический процесс, делятся на три группы:
1. входные параметры, которые характеризуют материальные и энергетические потоки на входе в аппарат;
2. внутренние режимные параметры, которые характеризуют условие протекания процесса в объекте.
Объект управления может быть с распространенными и с сосредоточенными параметрами.
Совокупность значений всех параметров процесса – технологический режим, а совокупность значений параметров процесса, которые обеспечивают решение задачи, поставленной при управлении — нормальный технологический режим.
3. выходные параметры, которые характеризуют материальные потоки на выходе из аппарата.
Как было сказано, что возмущающие воздействия нарушают нормальный режим работы процесса. Их подразделяют на две группы:
Внешние возмущающие воздействия, которые поступают в аппарат извне вследствие изменения входных параметров, некоторых выходных параметров и изменения параметров окружающей среды.
Изменения входных параметров сразу приводит к изменению технологического режима в объекте управления.
Изменения большинства выходных параметров не влияют на ход процесса в объекте управления. Более того, они определяются течением процесса в объекте. Изменения параметров окружающей среды наиболее значительно влияют на технологический режим в случае установки аппаратов под открытым небом.
Внутренние возмущающие воздействия возникают внутри самого объекта
управления вследствие, например, загрязнения и коррозии внутренних
поверхностей аппарата, изменения активности катализатора и т.д.
При решении задачи управления особое внимание следует уделить на внешние возмущающие воздействия, т.к. они поступают в объект управления чаще, имеют ступенчатый характер и большую амплитуду изменения и они могут быть устранены перед поступлением в объект управления.
1.1 Построение локальных систем автоматизации ХТП
Локальные системы – это системы, которые выполняют ограниченные (местные) функции. Территориально системы могут располагаться как на местных пунктах управления, так и в помещениях управления.
Современные системы автоматизации строятся ,как правило, в виде многоуровневых и иерархических структур, относительно объекта управления.
Они занимают самый нижний уровень. Располагаются ближе всего к объекту и в наибольшей степени учитывают его специфику. Для синтеза этих систем необходимы подробные математические модели объектов или их каналов.
— контроль параметров ТП и сигнализации их предельных значений;
— стабилизация (регулирование) ТП на заданном технологическим регламентом уровне;
— программное управление параметрами или объектом по наперед заданным функциями времени, т.е по жестким программам включая пуск и останов;
— защита технологического объекта в предаварийных и аварийных ситуациях;
— технологическая блокировка, определяющая последовательность (включение, отключение) технологического оборудования предотвращающая возникновение аварийной ситуации;
— в случае применения локальных микропроцессорных контроллеров локальные системы выполняют функции сбора, обработки информации.
Технические средства локальных систем
-Первичные измерительные преобразователи;
-автоматические системы защиты и блокировки;
— локальные микропроцессорные контроллеры.
1.3 Этапы построения локальных систем
1.Анализ технологического процесса как объекта управления, выявление его существенных особенностей, важных с точки зрения задач автоматизации.
– Определяется производительность объекта, характер технологического процесса (периодический, непрерывный, смешанный);
— Определяются условия пожаро- и взрывоопасности, агрессивность и токсичность сред, параметры рабочих сред и их физико-химические свойства;
— Определяются основные эксплуатационные возмущения процесса, их характер и место приложения;
— Определяются показатели инерционных свойств отдельных агрегатов и процессов по основным каналам передачи воздействий, запаздывание по основным каналам передачи воздействий, свойства самовыравнивания агрегатов, распределенность или сосредоточенность параметров объекта.
— Определяются свойства управляемости объекта.
2.Анализ существующей локальной системы автоматизации с точки зрения ее технического совершенства и эффективности.
На этом этапе анализируется:
– совершенство организационной и технической структур;
— взаимодействие людей в системе управления,
— структура существующей системы управления;
— централизованная, децентрализованная, смешанная система управления.
— Анализируется совершенство локальных систем, т.е. правильность выбора схем регулирования (каскадных, комбинированных, многомерных), законов регулирования; наличие и совершенство схем защиты и блокировок; наличие приборов качественного анализа.
— Устанавливаются параметры контроля и регулирования, а также места приложения регулирующих воздействий.
3.Установление технологических параметров, подлежащих автоматическому контролю и регулированию, определение пределов изменения технологических параметров и требуемой точности измерения. Определение методов измерения технологических параметров с целью определения в дальнейшем комплекса технических средств автоматизации.
4.Определение точек отбора импульсов интересующих нас переменных и мест приложения эффективных регулирующих воздействий.
5.Выбор наиболее рациональных схем регулирования и законов регулирования.
6.Определение объемов необходимых автоматических защит и блокировок технологического оборудования.
7.Разработка принципиальных электрических схем сигнализации.
8.Определение способов представления оператором информации о ходе технологического процесса, размещение КИП-овского оборудования в помещении управления.
9.Решение вопроса о видах и средствах производственной связи.
источник
С позиции материально-технической и организационной структуры производства, многообразие ТП можно разделить на три основные группы: непрерывные, дискретные, непрерывно — дискретные [1.10].
Непрерывные технологические процессы характерны для химической, нефтеперерабатывающей, энергетической и ряда других отраслей промышленности; продукцией их является вещество или энергия. В зависимости от характера сырья и материалов непрерывные технологические процессы подразделяются на периодические, полунепрерывные и собственно непрерывные. Непрерывные технологические процессы являются важнейшими в производстве материалов и энергии.
Дискретные технологические процессы характерны для производства машиностроительной, приборостроительной, радио — электротехнической и др. промышленностей; продукцией дискретных технологических процессов являются изделия. Информация о состоянии процесса имеет дискретный характер.
Непрерывно-дискретные технологические процессы — это процессы производства изделий из материалов.
По виду уравнений связи между входными и выходными переменными технологические процессы как объекты управления классифицируются на одномерные и многомерные, линейные и нелинейные, с сосредоточенными и распределенными параметрами, стационарные и нестационарные.
В радиоэлектронной промышленности, как уже было сказано, преобладают дискретно-непрерывные и дискретные технологические процессы, поэтому создание оптимальной системы ТП — САПР ТП приводит к необходимости проектировать автоматизированный технологический комплекс АТК [1.10]. Структурная схема АТК представлена на рис. 1.2.
Для классификации типов технологических процессов как объектов управления существуют различные характеристики, например сложность, объём и серийность производства, тип технологического процесса и уровень его автоматизации [1.11].
Сложность производства зависит от номенклатуры выпускаемых изделий, структуры технологического процесса,
Рис. 1.2. Структура АТК (U — вектор управляющих входов; X — вектор возмущающих входов; Z — вектор неконтролируемых воздействий; Р — вектор измеряемых выходов
количества внутренних и внешних связей и др. Оценка сложности производства основывается не только на анализе номенклатуры выпускаемой готовой продукции, но и на анализе номенклатуры внутренних комплектующих изделий.
Сложные современные изделия РЭС, например, выпускаемые большими и малыми количествами, включают в себя сотни узлов и блоков внутреннего производства и сборки.
Следовательно, при оценке сложности технологического процесса и производства в целом учитываются вид выпускаемой продукции, сложность изготовления комплектующих узлов и характер применяемых при этом технологических процессов. В соответствии с этим принято для простоты делить производство на два типа: простое и сложное [1.20,1.21].
Появление САПР ТП и гибких автоматизированных производств (ГАП) позволяет обеспечить единый подход к автоматизации производств с различным начальным её уровнем. При этом устраняются тяжелые и монотонные ручные операции, повышается общий уровень эффективности производства.
АСТПП совместно с системой автоматизированного проектирования (САПР) является частью производственной системы и обязательна для гибкого автоматизированного производства (ГАП). Количество выпол-
няемых функций и объём решаемых АСТПП задач в составе Г АП значительно возрастают в связи с переходом от проектирования и изготовления отдельных единиц технологического оснащения к проектированию, изготовлению, вводу в действие и модернизации сложных автоматизированных технологических комплексов (АТК). Это относится также к проектированию технологических процессов, выполняемых с помощью АТК с высокой степенью детализации и программированию действий АТК.
В укрупнённой типовой структуре ГАП в составе АСТПП выделяют три подсистемы в соответствии с тремя внешними функциями АСТПП:
- • автоматизированную систему управления технологической подготовкой производства (АСУТПП);
- • систему автоматизированного технологического проектирования (САПР ТП);
- • гибкое автоматизированное производство автоматизированных технологических комплексов (ГАП АТК).
АСУТПП является координирующей подсистемой и решает задачи планирования, учёта, контроля и регулирования всех подсистем АСТПП. Она согласовывает функционирование АСТПП в составе предприятия для достижения целей, определённых ей автоматизированной системой управления производством (АСУП).
САПР ТП осуществляет проектирование технологической системы изготовления элементов конструкции выпускаемого изделия, его сборки и испытания, разработку программ управления технологическим оборудованием с числовым программным управлением (ЧПУ) в составе АТК. В процессе проектирования технологической системы определяется соответствие каждого элемента конструкции изделия требованиям чертёжноконструкторской документации. Кроме того, определяется:
- • состав производственных подразделений по видам работ;
- • состав элементов технологического процесса, последовательность их выполнения и режимы;
- • исходные данные и требования на создание или реконструкцию АТК;
- • состав технологического оборудования, требования к оборудованию или технические задания на его разработку и изготовление;
- • состав приёмов работы исполнителей;
- • состав и квалификация исполнителей по видам работ;
- • нормы затрат ресурсов (трудовых, материальных, энергетических, временных, стоимостных) на выполнение всех элементов технологического процесса.
В задачи САПР ТП входят также согласование конструкции изделия и отдельных её элементов с возможностями технологической системы предприятия, увязка (геометрическая и размерная) элементов конструкции изделия и технологической оснастки, построение конструктивных плазов при плазово-шаблонном методе производства, программирование действий технологического оборудования с числовым программным управлением в составе АТК. САПР ТП решает задачи проектирования технологии с различной степенью детализации в зависимости от типа и уровня автоматизации производства. Для мелкосерийного производства, оснащённого универсальным оборудованием, технологическим документом является маршрутная карта, содержащая перечень основных технологических операций. Полный состав задач решается на основе математической модели в САПР ТП для производства, максимально оснащённого технологическим оборудованием с ЧПУ, управляемого от электронных вычислительных машин и объединённого в АТК. При использовании оборудования с числовым программным управлением необходима детальная разработка технологических операций, на основе которых производится изменение параметров технологического процесса и разработка программ управления АТК.
ГАП АТК осуществляет проектирование, изготовление и ввод в действие АТК в целом и отдельных его компонентов: технологического оборудования, автоматизированных транспортно-складских систем, оснастки, стендов, инструмента, программно-технических комплексов и т. д.
Решение рассматриваемых задач тесно связано с такой характеристикой производства, как тип технологического процесса.
Производственный процесс может состоять из технологических операций различных типов: непрерывных, дискретных и др. Тот или иной тип технологического процесса (непрерывный или дискретный) определяет способ управления как основными, так и вспомогательными операциями и процессами объекта управления, возможную полноту автоматизации технологического процесса.
По объекту и условиям разработки технологические процессы подразделяются на единичные, типовые и групповые [1.22]. Единичные технологические процессы разрабатывают на изделия одного наименования, типоразмера и исполнения независимо от типа производства, типовые — на группу изделий с общими конструктивными признаками, групповые — на конструктивно и технологически сходные изделия.
Для единичного производства характерны широта номенклатуры и малый объём выпуска. При единичном производстве количество выпускаемых изделий исчисляется штуками и десятками штук; на рабочих местах выполняются разнообразные технологические операции, повторяющиеся нерегулярно или неповторяющиеся совсем. Следовательно, при единичном производстве очень мало предпосылок для автоматизации отдельных технологических операций, тем более для автоматизации всего процесса в целом.
Для серийного производства характерна ограниченная номенклатура изделий, изготавливаемых периодически повторяющимися партиями со сравнительно большим объёмом выпуска. Объём выпуска предприятий с серийным производством исчисляется десятками и тысячами регулярно повторяющихся изделий.
При серийном производстве на каждом рабочем месте выполняется какая — то одна постоянно повторяющаяся операция. Следовательно, на предприятиях серийного типа существуют объективные предпосылки для
автоматизации отдельных операций и всего технологического процесса в целом.
Названные признаки классификации типов производств могут быть дополнены и некоторыми другими.
Однако приведённые признаки наиболее существенны при оценке целесообразности создания АТК. Такие характеристики производства, как сложность, объём и серийность, наиболее полно используются в качестве исходной информации обычно на начальных стадиях проектирования систем управления технологическими процессами [1.23-1.31]. На этих стадиях выбирается объект автоматизации, оценивается экономическая эффективность создаваемой системы управления, определяются этапы её создания. Уровень автоматизации производства и тип технологического процесса в большей степени оказывают влияние на технические характеристики системы управления, такие как структура системы, законы управления, состав технических средств, алгоритмы функционирования и т.д. Они используются на этапе технического проектирования.
Технологический процесс производства РЭС как объект автоматизации имеет специфические особенности. Этап автоматизации получил наиболее широкое распространение в массовом и крупносерийном производстве. Это объясняется, прежде всего, тем, что при достаточно частой смене изделий в мелкосерийном производстве необходимо менять и автоматическое оборудование, работающее по принципу жёсткого управления, в силу чего автоматизация становится неэффективной.
С появлением программно-управляемого оборудования автоматизация производства начала всё шире внедряться в среднесерийном и в мелкосерийном производствах. Успехи в области микроэлектроники, появление ПК и микропроцессоров, внедрение промышленных роботов и манипуляторов сделали возможным практическое решение задачи комплексной автоматизации производств всех типов и реализации на этой основе завершающего этапа автоматизации — создание гибких автоматизированных (автоматических) комплексов с безлюдной технологией.
Производственный процесс представляет собой ряд взаимосвязанных подпроцессов (процессов): основных, вспомогательных и обслуживающих [1.32].
К основным процессам производства относятся технологические процессы изготовления продукции и входящие в них детали, узлы и агрегаты.
Вспомогательными процессами называются процессы по изготовлению технологической оснастки (инструмента, приспособлений, штампов и т.д.), ремонту оборудования, зданий, сооружений, производству и распределению различных видов энергии.
К обслуживающим процессам относятся транспортные операции (межцеховые, межоперационные), складские операции, технический контроль выполнения основных и вспомогательных процессов.
Основной производственный процесс изготовления изделия РЭС состоит из таких основных фаз: заготовительной, обработочной и сборочной. В соответствии с этим делением предприятие производства РЭС строится по цеховой структуре и имеет в своем составе соответствующие цеха или группы соответствующих цехов: заготовительные, обработочные и сборочные.
Такое деление производственного процесса на фазы не лишено некоторой условности из-за отсутствия чётких границ фаз вследствие их некоторого взаимного пересечения.
Деление производственных процессов на части (фазы) позволяет разрабатывать САПР ТП для фаз производства, т.к. каждая фаза имеет свои особенности независимо от конкретного вида изготавливаемой продукции, локализована по месту и времени выполнения и является законченной частью технологического процесса. Конкретный вид изготавливаемой продукции определяет состав технологических процессов различных типов (дискретный, непрерывный и т.д.) для каждой фазы производства, что влияет на выбор той или иной схемы системы управления с учётом достигнутого уровня автоматизации производства.
Деление производственного процесса на фазы и анализ всех технологических процессов каждой фазы позволяют определить способ управления каждым технологическим процессом с последующим объединением подсистем в единую САПР ТП. В процессе объединения подсистем учитываются не только внутренние связи, но и связь с подсистемами управления обслуживающих и вспомогательных подразделений предприятия.
Функциональная структура предприятия кроме подразделений, участвующих в основном процессе производства, включает в себя функциональные подразделения, выполняющие вспомогательные и обслуживающие процессы со своими системами управления. Между этими подсистемами существуют свои связи в виде информационных и материальных потоков.
Следует отметить, что САПР ТП, в свою очередь, тоже разделяются на группы по различным признакам. Например, признаком классификации может служить степень автоматизации процесса управления ТП. По этому признаку САПР ТП делят на информационные (централизованный контроль), советующие и полностью управляющие системы. Полностью управляющие системы, в свою очередь, разделяют функционально или алгоритмически на системы логико-программного управления, модельного управления (управления с заданным качеством). Известна классификация АСУ ТП по признаку сложности объекта управления. Критерием сложности объекта служит число контролируемых параметров и управляющих воздействий. Эта классификация позволяет ориентировочно определить номенклатурную базу САПР ТП и в принципе может служить основой для планирования разработок, хотя она не отражает функции системы управления [1.10, 1.33].
САПР ТП служат для поддержания технологических режимов при определённых, заданных значениях параметров процессов либо для выбора наилучших условий их проведения, если заранее такие условия определить не представляется возможным. В первом случае обычно используются средства автоматизации — регуляторы, во втором — средства вычислительной техники [1.34].
Для САПР ТП характерно слияние технологических и экономических требований, т.е. они обеспечивают не только ведение технологического процесса, но и изменяют его в зависимости от задаваемой экономикой ограничений.
Сложность современных технологических процессов заставляет использовать для управления локальные средства автоматизации, центральный автоматический контроль и регулирование технологических процессов, а также сложные САПР ТП.
Локальное автоматическое регулирование предполагает задание норм на параметры, которые служат предупредительными границами.
Оператор, наблюдая по индикаторам за протеканием технологической операции, воздействует на процесс с помощью автоматических регуляторов в тех случаях, когда значения параметров выходят за заданные границы.
Необходимость в повышении производительности труда привела к созданию централизованного автоматического контроля и регулирования технологических процессов. В этом случае данные о ходе процесса подаются в аналоговой форме непосредственно от датчиков. Основными требованиями к таким системам являются: надёжность и долговечность, простота обслуживания. Они серийно выпускаются промышленностью в стране и за рубежом.
Метод централизованного автоматического контроля и регулирования позволяет подключить большое число датчиков, измерять их выходные величины, преобразовывать результаты в цифровую форму, печатать их, выдавать оператору сигналы о выходе параметров за заданные пределы, регулировать параметры и т.д. Применение централизованного автоматического контроля и регулирования позволяет получить своевременную информацию о ходе процесса, избавляет от необходимости монтировать громоздкие щиты с многочисленными приборами, резко сокращает производственные площади, занятые под оборудование [1.34].
Однако целью управляемой системы — АСУ ТП — является проблема оптимизации технологических процессов. Для достижения этой цели используются разные варианты иерархий АСУ ТП в зависимости от уровня сложности и изученности процесса, имеющихся технических средств и т.д.
В частности, в работах [1.35 — 1.39] приведён один из вариантов трехуровневой АСУ ТП, разработанной для технологического процесса выращивания кристаллов и ряд работ по исследованию и моделированию таких технологических процессов.
Первый уровень — это терминалы, главным образом, дисплеи и печатающие устройства. Они устанавливаются на рабочих местах производственного и обслуживающего персонала, в непосредственной близости к техническому оборудованию.
Терминалы служат, главным образом, для отображения первичной информации, а также для реализации в реальном масштабе времени функций первичного накопления информации, подготовки её для последующей передачи и обработки на втором уровне.
Следовательно, блоки управления нижнего уровня иерархически управляют самим технологическим процессом (системой технологических операций). На этом уровне производится оптимизация подпроцессов, осуществляется текущий контроль за ходом подпроцессов, производится прямое цифровое управление ими и т.д. К этому уровню относятся также входные и выходные устройства, измерительные приборы и средства индикации.
Управление подпроцессами осуществляется в соответствии с определенной системой частных критериев Кь К2. Кп.
Второй уровень — комплекс сбора и обработки информации. Это локальная вычислительная сеть, состоящая из персональных компьютеров (ПК). Именно здесь полученная с первого уровня информация формируется в базу данных. Кроме того, на этом уровне осуществляется выдача сводок, управление микровычислительными системами. Обработка потока заявок от терминалов первого уровня обслуживаемых комплексов ведётся в пакетном режиме.
Вычислительная техника второго, среднего уровня может быть сосредоточена либо на ВЦ, либо распределена по производственным корпусам, либо находится непосредственно в цехе.
На втором уровне иерархии решается проблема координации элементов нижнего уровня иерархической структуры. Блоки нижнего уровня подчиняются единственному органу управления верхнего уровня. Таким координатором является качество изделия (цель). Признак, по которому выбирается наиболее эффективный способ достижения цели данной системы, — критерий.
Третий уровень — главный вычислительный комплекс. Он состоит из рабочих станций, средств сбора и передачи информации. На этом уровне решаются, прежде всего, управленческие задачи. Кроме того, используя централизованную по уровням обработки базу данных, можно создавать качественно новые комплексы, перейти к оперативному управлению, повысить аргументированность процесса принятия решений [1.26 -1.28].
На третьем этапе осуществляется оптимизация на базе заложенных моделей и выработанных критериев.
Вид выбираемой (разрабатываемой) архитектуры в значительной степени зависит и от уровня подготовки самого технологического процесса к внедрению АСУ ТП. Это ещё раз подчёркивает необходимость совместного решения задач проектирования САПР ТП — АСУ ТП, что позволит избежать дополнительных коррекций и, следовательно, ускорит процесс проектирования АСУ ТП.
В соответствии с выбранной архитектурой АСУ ТП и созданным математическим обеспечением появляется возможность решения задач информационного, советующего и управляющего режимов АСУ ТП.
В работах [1.38, 1.39] рассматривается структура задач, которая тесно связана с архитектурой и уровнем разработки математического обеспечения АСУ ТП.
На информационном уровне необходимо автоматизировать функции сбора и обработки первичной информации. В таких системах вычислительная техника используется для решения лишь первой части задачи управления — для сбора необходимой информации о процессе, проверки соответствия измеренных параметров допустимым значениям (нормам) и в случае отклонений информирование об этом оператора. На этом уровне осуществляется регистрация измеряемых параметров и вычисление статистических оценок (математического ожидания и дисперсии), характеризующих протекание процесса.
На основании этой информации, которая выдаётся в удобном для восприятия виде, и опыта практической работы оператор управляет технологическим процессом.
Но информационные системы ценны в основном как первый этап разработки АСУ ТП. Дальнейшим развитием автоматизации технологического процесса является использование ЭВМ, работающей в режиме советчика оператора.
Советующий (или информационно-советующий) уровень строится на информационном. ЭВМ (или их совокупность) в таких системах выполняет не только функции информационных систем, но и рассчитывает по заданному алгоритму управления, составленному на основании принятого критерия оптимальности, желаемые параметры процесса и соответствующие воздействия.
Именно на втором уровне необходимо решить задачу идентификации. Проблема идентификации наряду с проблемой оптимизации является одной из основных в теории и практике управления технологическими процессами [1.33, 1.39]. Решение задач идентификации связано с экспериментом. В основе своей идентификация представляет собой экспериментальный метод построения модели по входным и выходным параметрам процесса. Естественным требованием при этом является измеримость входных переменных. При этом построение модели функционирования технологического процесса осуществляется по параметрам процесса, полученным в реальных условиях работы объекта.
На первых порах задача идентификации была связана с определением коэффициентов заданного математического описания объекта. Однако в дальнейшем для многих видов объектов, в том числе и для технологических процессов, оказалось, что отсутствуют или являются очень сложными уравнения связи между входными и выходными переменными. Поэтому возникла задача определения структуры и параметров объекта управления по данным «вход-выход». Это вызвало необходимость постановки ряда новых задач, решение которых и предопределяет конечный результат [1.33-1.39].
В общем случае исходной информацией для идентификации являются входные и выходные переменные, полученные в условиях функционирования объектов. Здесь возникает задача ограничения количества входных переменных, включаемых в рассмотрение и определяющих заданные выходные переменные.
Решение этой задачи во многом определяется априорной информацией об объекте, но зачастую для сложного промышленного объекта эта информация мала и не даёт возможности до опыта точно установить необходимое количество входных переменных. В связи с этим встает необходимость проведения активного эксперимента, а также систематического сбора технологической информации, обработки её на ПК и построения статистических моделей для управления процессом.
Следовательно, оценка степени и формы связи между входными и выходными величинами должна быть произведена по реализациям этих величин, полученным в условиях функционирования объекта.
На основании полученных моделей строятся алгоритмы и рассчитываются значения управляющих параметров, обеспечивающих заданное качество изделия. Эта информация передаётся на более нижний уровень иерархии в качестве рекомендаций для оптимального (по возможности) ведения технологического процесса.
Высшей ступенью АСУ ТП является создание полностью управляющих систем, где ПК замыкается в контуре управления, минуя оператора. Это так называемое непосредственное цифровое управление. Управляющие вычислительные машины в этих системах выполняют не только все функции информационных и советующих ПК. Они и решают такие задачи: выработку сигналов управления в том виде, который требуется для непосредственного управления исполнительными механизмами и регуляторами; контроль правильности полученных решений, включая контроль исправности самого ПК и всей системы сбора информации [1.33].
Согласно стандартам, методическим указаниям и т.д. требуется, чтобы перечень функциональных задач был технически обоснован в предпро- ектных научно-исследовательских работах и в эскизной разработке АСУ ТП.
Предусмотрены следующие обязательные виды предпроектных работ [1.34,1.36]:
- 1. Анализ технологического процесса как объекта управления.
- 2. Анализ информационных потоков.
- 3. Формулирование целей, критериев, ограничений.
- 4. Разработка предварительных математических моделей технологического процесса.
- 5. Разработка методик измерений.
- 6. Идентификация моделей по экспериментальным данным.
- 7. Выбор метода разработки алгоритмов контроля и управления.
- 8. Разработка функционально-алгоритмической структуры системы.
- 9. Синтез основных алгоритмов контроля и управления и их экспериментальная проверка.
- 10. Выбор технических средств системы и его обоснование.
- 11. Определение задач по модернизации технологического оборудования.
- 12. Сравнительный анализ разрабатываемой системы и её известных аналогов.
Это основные задачи, которые необходимо решать в процессе обследования автоматизируемого технологического процесса, проведения предпроектных научно-исследовательских работ, эскизной разработки АСУ ТП, разработки технического задания на содержание АСУ ТП и выполнение самого проектирования.
источник