Как пишется асу тп

Раздел 4 Автоматизированные системы управления технологическими процессами

Тема 4.1 Общие сведения об АСУТП

1 Основные понятия и определения. Функции, состав, классификация АСУТП

2 Виды обеспечения АСУТП. Режимы работы АСУТП

3 Устройства связи с объектом в АСУТП. Средства измерения, преобразования и регулирования в АСУТП

Основные понятия и определения. Функции, состав, классификация АСУТП

АСУТП — это человеко-машинная система управления, предназначенная для выработки и реализации управляющих воздействий на технологический объект управления (ТОУ) в соответствии с принятым критерием управления при помощи современных средств сбора и переработки информации, в первую очередь средств вычислительной техники.

Совокупность совместно функционирующих АСУТП и ТОУ называется автоматизированным технологическим комплексом (АТК). Схема его дана на рисунке 1.

Рисунок 1 – Структура АТК

3 — задания; И — информация; РУ — ручное управление; СУ — супервизорное управление; НЦУ — непосредственное цифровое управление

Многочисленные датчики технологических параметров — температуры, давления, расхода, качества и т. д., а также датчики состояния оборудования («включено», «выключено») служат для получения информации о текущем состоянии объекта в реальном масштабе времени.

Выходные сигналы датчиков преобразуются в унифицированные стандартные сигналы и поступают на средства отображения информации, а также через устройства связи с объектом (УСО) — на управляющий вычислительный комплекс (УВК). Отметим, что ряд датчиков (анализаторы показателей качества, счетчики) имеют стандартный выход и могут работать без преобразователей.

На щитах и пультах управления операторской размещены многочисленные средства отображения информации: мнемосхема со световой аварийной и технологической сигнализацией звуковые сигнализаторы, индикаторы, алфавитно-цифровые печатающие устройства (принтеры), дисплеи (мониторы), регистрирующие и показывающие вторичные приборы. Кроме того, в операторской находятся средства регулирования, программно-логического управления, защиты и блокировки. Они могут быт выполнены в традиционном исполнении или же в виде микро процессорных контроллеров, на которые возлагаются определенные функции управления процессом. На щитах и пульта помещены и органы управления (станции управления регуляторами, выключатели, переключатели), с помощью которых человек может непосредственно вмешаться в процесс.

Управление технологическим процессом с помощью АСУТП осуществляется следующим образом.

Устройства регулирования и управления автоматически поддерживают нормальный технологический режим процесса. Оперативный технологический персонал ТОУ (операторы, начальник установки, начальник смены) получает текущие оперативные данные от чувствительных элементов с помощью приборов, индикаторов и сигнализаторов, а также развернутую обработанную информацию от информационной подсистемы АСУТП через пульты с дисплеями и принтеры. На основании получаемой информации технологический персонал анализирует ход процесса.

На первом этапе внедрения автоматизированных систем представление формации о процессе с помощью традиционных средств отображения данных используется достаточно широко, т. е. система управления остается щитовой. Однако по мере повышения надежности УВК, совершенствования математического и программного обеспечения АСУТП все больше информации поступает через периферийные средства УВК, число приборов и сигнализаторов уменьшается, а система превращается в бесщитовую.

Оперативный технологический персонал при управлении технологическим объектом использует управляющую подсистему АСУТП, которая исходя из заданного критерия управления выясняет, достигается ли цель управления.

Если цель не достигается, то управляющая подсистема определяет, как необходимо изменить технологический режим, т. е. каковы должны быть управляющие воздействия. В зависимости от режимов работы АСУТП рассчитанные значения могут реализовываться в виде рекомендаций оператору, путем изменения уставок регуляторам, непосредственно через исполнительные механизмы.

Эксплуатация вычислительной техники и комплекса преобразователей осуществляется эксплуатационным персоналом АСУТП (сектор, группа, службы АСУТП).

Связь данной АСУТП с другими АСУ (с АСУТП следующего и предыдущего по ходу обрабатываемого сырья технологических процессов, с АСОДУ — автоматизированной системой оперативно-диспетчерского управления, с АСУ предприятия) осуществляется с помощью специальных устройств связи.

Функции АСУ ТП

Функции АСУ ТП — это совокупность действий системы, направленных на достижения частной цели управления. Различают информационно-вычислительные и управляющие функции.

К информационно — вычислительным относят такие функции, результатом выполнения которых является предоставление оператору информации о ходе ТП. Управляющие функции включают в себя действия по выработки и реализации управляющего воздействия на ОУ

Перечень информационно-вычислительных функций:

1. Прямое измерение (сбор, первичная обработка и хранение информации об ОУ).

2. Косвенное измерение параметров процесса и технологического оборудования (ТО).

3. Сигнализация состояний параметров ТП и ТО.

4. Расчет технико-экономических и эксплуатационных показателей ТП и оборудования.

5. Регистрация параметров ТП, параметров ТО и результатов расчётов.

6. Контроль и регистрация отклонений параметров ТП и состояния оборудования.

7. Анализ срабатывания блокировки и защит ТО (определения причин нарушения хода ТП).

8. Диагностика и прогнозирование хода ТП и состояния ТО.

9. Диагностика и прогнозирование состояния комплекса тех средств АСУ ТП.

10. Оперативное отображение информации ведения ТП.

11. Выполнения процедур автомат обмена инфо со смежными и вышестоящими СУ.

Не все перечисленные функции могут быть реализованы в конкретной АСУ ТП. Это зависит от функциональной развитости АСУ ТП.

Перечень функций, определяется при составлении технического задания на проектировании, и при этом учитываются требования, указанные в руководящих материалах (обычно отраслевых).

Перечень управляющих функций:

1. Одноконтурное регулирование.

2. Логическое управление.

3. Каскадное регулирование.

4. Многосвязное регулирование.

5. Программное управление.

6. Оптимальное управление установившимися режимами работы ТП (определяются уставки регуляторов, расчет технических параметров).

7. Оптимальное управление неустановившимися режимами работы ТП (оптимальное управление в динамике) – поиск закона изменения параметра, поиск траектории от одного установившегося значения к другому.

8. Оптимальное управление с адаптацией.

Не все перечисленные функции могут быть реализованы в конкретной АСУ ТП.

Состав АСУТП

Основными элементами АСУ ТП являются:

· комплекс технических средств (техническое обеспечение);

· общесистемная техническая документация;

· эксплуатационный персонал.

Комплексом технических средств (КТС) называют совокупность управляющих устройств, устройств передачи сигналов и данных, датчиков сигналов и исполнительных устройств, обеспечивающих выполнение функций АСУ ТП. КТС включает структурные элементы сбора и передачи информации, входящие в информационное обеспечение АСУ ТП.

Схемы КТС АСУ ТП (в зависимости от особенностей ОУ) могут быть с прямым или непрямым взаимодействием информационно-вычислительного (ИВК) или управляющего вычислительного комплекса (УВК) с ОУ.

В свою очередь КТС непрямого взаимодействия бывают с управлением объектом непосредственно оператором (схема разомкнутого управления) или с управлением через локальные средства регулирования и управления (схема комбинированного управления). КТС прямого взаимодействия в зависимости от состава УВК подразделяются на КТС прямого цифрового и КТС прямого аналого-цифрового (гибридного) управления.

Структурные схемы КТС АСУ ТП приведены на рис. 2.

КТС АСУ ТП состоит из следующих основных групп технических средств:

1) устройства получения информации о режимах технологического процесса, оборудования, собственно КТС (датчики сигналов физических величин, устройства ручного ввода сигналов);

2) устройства формирования сигналов и обслуживания каналов передачи информации – преобразователи вида, формы и уровня сигналов, коммутаторы сигналов (мультиплексоры);

3) устройства локальной автоматики – регуляторы, командо-аппараты, интерполяторы, усилители-преобразователи командных сигналов, исполнительные устройства;

4) средства вычислительной техники – устройства переработки информации (серийные цифровые и аналоговые вычислительные машины и решающие устройства, специализированные счетные и решающие устройства), устройства ввода и вывода программ и информации, устройства передачи данных (организации каналов сопряжения вычислительных средств), запоминающие устройства;

5) устройства связи с объектом (УСО) – преобразователи сигналов контроля и управления, коммутаторы сигналов, адаптеры различного назначения, телемеханические устройства;

6) устройства связи с оперативным персоналом – индикаторы, сигнализаторы, регистраторы, щиты комплексного контроля (мнемосхемы), пульты управления.

Современные агрегатируемые технические средства автоматики и вычислительной техники позволяют создавать КТС АСУ ТП преимущественно проектным путем и расширять возможности КТС, наращивая номенклатуру и число устройств без реконструкции структуры АСУ ТП

Общесистемная техническая документация состоит из математического (МО) и организационного обеспечений АСУ ТП. В свою очередь МО подразделяется на алгоритмическое и программное обеспечение.

Алгоритмическое обеспечение включает описание алгоритмов реализации отдельных функций и общего алгоритма функционирования АСУ ТП. Программное обеспечение (ПО) реализует алгоритмы функционирования и делится на стандартное (СПО) и прикладное (ППО).

СПО является составной частью технической документации вычислительных комплексов и включает организующие и диспетчерские программы, транслирующие программы, программы работы УСО, программы редактирования тестов, программы отладки и диагностики, библиотеки стандартных программ. ППО разрабатывается специально для данной АСУ ТП и обеспечивает выполнение ее специфических функций

Рисунок 2 – Структурные схемы КТС АСУ ТП

Организационное обеспечение АСУ ТП состоит из схем описания функциональной, информационной и организационной структур АСУ ТП, комплекса инструкций технологу-оператору и другому эксплуатационному персоналу для работы при различных режимах и состояниях ОУ.

Эксплуатационный персонал, в первую очередь технолог-оператор АСУ ТП, является неотъемлемым элементом системы управления.

В АСУ ТП с разомкнутой схемой управления технолог-оператор осуществляет все функции управления либо исполнительными устройствами, либо устройствами локальной автоматики, пользуясь информацией о состоянии объекта и рекомендациями по рациональному управлению, вырабатываемыми ИВК. Вывод оперативной информации и рекомендаций (советов оператору) производится либо автоматически, либо по запросу оператора. В других разновидностях АСУ ТП технолог-оператор выведен из контура непосредственного управления, осуществляет контроль за работой системы и задает ей те или иные режимы работы и критерии функционирования. Действия оператора обеспечивают также адаптацию системы при наличии внешних возмущений технологического, производственного и экономического характера.

Организационное обеспечение включает в себя документы необходимые для работы оперативного и обслуживающего персонала для эксплуатации АСУ ТП (инструкции операторам, инструкции по ремонту, паспорт системы и описание АСУ ТП).

Классификация АСУТП

При планировании, проведении и обобщении разработок АСУТП следует иметь в виду, что эти системы весьма разнообразны. Для решения ряда научных, технических и организационных вопросов необходимо пользоваться общей классификацией АСУТП, т. е. правилами разбиения всего множества этих систем на такие подмножества (классификационные группы), в пределах которых все входящие в них АСУТП одинаковы, близки или похожи в том или ином отношении. АСУТП как объекты классификации характеризуются многими существенными факторами и показателями, каждый из которых может выступать в роли классификационного признака. Поэтому общая классификация АСУТП состоит из ряда частных классификаций, проводимых по одному из таких признаков. В зависимости от поставленных целей необходимо пользоваться различными классификационными признаками или их разными сочетаниями. Приводимая ниже классификация АСУТП может использоваться в основном с целями:

• выбора систем-аналогов на ранних этапах разработки АСУТП;

• оценки необходимых ресурсов при укрупненном планировании работ по созданию АСУТП;

• определения качества (научно-технического уровня) АСУТП;

• определения капиталоемкости АСУТП в условных единицах.

К основным классификационным признакам АСУТП относятся:

• уровень, занимаемый ТОУ и АСУТП в структуре предприятия;

• характер протекания технологического процесса во времени;

• показатель условной информационной мощности;

• уровень функциональной надежности АСУТП;

• тип функционирования АСУТП.

Классификации по каждому из указанных признаков (а также по любым их сочетаниям) могут рассматриваться и использоваться как независимые: конкретному индексу одного (или нескольких) признака могут соответствовать любые индексы других признаков.

Классификация АСУ ТП заключается в разбиении всего множества АСУ ТП на группы, характеризуемые определенными признаками. Каждый признак имеет свой код, из совокупности кодов складывается общий классификационный код АСУ ТП (рис. 3). Признаки приведены ниже в таблицах 1 – 5.

Таблица 1 – Информационные функции ИВК (код 1)

Сбор, первичная обработка и хранение технической и технологической информации
Косвенные измерения параметров процесса и работы технологического оборудования
Сигнализация состояний параметров технологического процесса и оборудования
Расчеты технико-экономических и эксплуатационных показателей процесса и оборудования
Подготовка информации для смежных и вышестоящих систем и уровней управления
Регистрация параметров процесса, состояния оборудования и результатов расчетов
Контроль и регистрация отклонений параметров процесса и состояния оборудования
Анализ срабатываний блокировок и защит
Диагностика и прогнозирование хода процесса и состояния оборудования
Диагностика и прогнозирование состояния КТС
Оперативное отражение информации и рекомендаций по ведению процесса
Выполнение процедур автоматического обмена информацией с вышестоящими системами управления

Примечания:

1. Функции расположены в порядке усложнения. АСУ ТП выполняет все функции, предшествующие указанной.

2. Коды 1 – 6 соответствуют автономной, код 7 – интегрированной АСУ ТП.

Таблица 2– Функции управления, обеспечивающиеся ИВК или реализуемые УВК (код 2)

Регулирование отдельных параметров технологического процесса
Одноактное логическое управление (выполнение операций по блокировкам и защитам)
Каскадное регулирование
Многосвязное регулирование
Выполнение программных и логических операций дискретного управления
Оптимальное управление установившимися режимами технологического процесса
Оптимальное управление неустановившимися (переходными) режимами технологического процесса и работы оборудования
Оптимальное управление технологическим объектом в целом с адаптацией системы управления

Таблица 3 – Разновидности АСУ ТП в зависимости от способа управления (код 3)

Способ управления объектом	Режим работы ИВК (УВК)	Кодовое обозначение
Управление оператором	Информационно-советующий
Комбинированное управление	Централизованное управление устройствами локальной автоматики
Прямое цифровое управление	Централизованное управление исполнительными устройствами и рабочими органами
Прямое аналого-цифровое (гибридное) управление	То же

Таблица 4 – Количество точек контроля и управления АСУ ТП (код 4)

Число точек контроля и управления, до					>3000
Кодовое обозначение					До 99

Примечание. Кодовое обозначение есть округленное до сотен количество точек: 587 точек – 06, 245 точек – 02, меньше 100 точек – 01. При обобщении и статистической обработке сведений об АСУ ТП эти сведения группируются в соответствии с градациями данной таблицы АСУ ТП. 06 относится к группе 09, АСУ ТП 02 – к группе 03 и т д.

	Таблица 5 – Классификация основных типов технологических процессов (кодовое обозначение для одиночного агрегата) (код 5)
Непрерывный процесс с непрерывными потоками материалов, реагентов, энергии и т п.
Непрерывный процесс с прерывистыми потоками материалов и т. п.
Прерывистый процесс с непрерывными потоками материалов и т п.
Прерывистый процесс с прерывистыми потоками материалов и т п.
Пример.Автономная автоматизированная система управления прерывным технологическим процессом, осуществляющая многосвязное регулирование с комбинированным контролем и управлением 120 параметрами, имеет кодовое обозначение АСУ ТП: 14.2.01/10.
Рисунок 3 – Общая структура кодового обозначения разновидностей АСУ ТП

Виды обеспечения АСУТП. Режимы работы АСУТП

Виды обеспечений АСУТП

Выполнение перечисленных функций и режимов работ реализуется комплексом взаимодействующих обеспечении АСУТП:

техническим,

программным,

математическим,

информационным,

метрологическим,

лингвистическим,

организационным.

Техническое обеспечение включает весь комплекс технических средств (КТС): чувствительные элементы, преобразователи, средства вычислительной техники, вторичные приборы и регуляторы, исполнительные механизмы и т. д. (в КТС АСУТП не входят лишь регулирующие органы), достаточный для функционирования АСУТП. Состав и структура КТС определяется функциями и режимами работы АСУТП, а также спецификой ТОУ. Основой КТС современных АСУТП служат микропроцессорные средства и микроЭВМ. Условно их можно разделить на аппаратные, программно-аппаратные и программируемые.

К аппаратным средствам относятся микропроцессорные устройства с жесткой логикой, которая реализуется программами, записанными в постоянном запоминающем устройстве. Их целесообразно применять в тех случаях, когда система выполняет простые типовые функции (сбор данных, одноконтурное цифровое регулирование, представление данных, индикация, сигнализация, первичная переработка информации, программное логическое управление и т. п.), число обслуживаемых входов и выходов невелико (до 50), изменение системы не ожидается, емкость запоминающих устройств невелика, а заданное быстродействие высокое. В состав аппаратных средств входят микропроцессор (МП) или интегральные микросхемы общего назначения, память, таймер, коммутатор, простейшие устройства для перехода от автоматического режима к ручному и обратно, интерфейс. На их базе создаются отдельные преобразователи, приборы, регуляторы, программно-логические контроллеры и т. п.

Программно-аппаратные средства строятся на базе микропроцессорных комплексов и микроЭВМ. Они проблемно ориентированы на решение конкретных задач АСУТП и предназначены для реализации функций средней сложности (многоконтурное цифровое регулирование, многосвязанное программно-логическое управление, многоканальные сбор, обработка и контроль параметров и т.п.) со средним быстродействием и с большим числом входов и выходов (до 1000), с обеспечением функциональной гибкости системы. Преимущества программно-аппаратных средств: высокая надежность, компактность, универсальность, экономичность, простота ввода управляющей программы, устойчивость к внешним воздействиям.

В их состав входят микропроцессорные комплекты, память, автономный источник питания, модули сопряжения с устройствами ввода — вывода и с ЭВМ верхнего уровня. Микропроцессорный комплект — это совокупность универсальных и специализированных интегральных микросхем различного функционального назначения, совместимых по конструктивно-технологическому исполнению.

Программно-аппаратные средства начинают находить широкое применение в виде агрегатных КТС АСУТП. Они построены по модульному принципу, и создание на их базе АСУТП сводится фактически к набору из модулей различного функционального назначения такой технической и функциональной структуры, которая обеспечивала бы достижение цели управления. Кроме того, требуется корректировка программного обеспечения под конкретный ТОУ.

Программируемые средства целесообразно применять для выполнения сложных функций, а также для управления ТОУ большой информационной мощности, что свойственно многим химическим производствам. Они реализуются на многомашинных комплексах микро- и мини ЭВМ — локальных управляющих вычислительных сетях (ЛУВС).

Структура многомашинных комплексов может быть нескольких типов (рис.5). Наиболее простой и распространенной в отечественной практике является радиальная (звездообразная). В таких системах центральная мини ЭВМ (или комплекс машин) высокого уровня соединяется с локальными микроЭВМ низкого уровня отдельными, не связанными между собой каналами связи.

Рисунок 5 — Структура многомашинных комплексов

а – радиальная; б – магистральная; в – кольцевая; ЦМ — центральная мини-ЭВМ; ЛМ — локальные микро-ЭВМ; УС — устройства связи.

К достоинствам этих структур относятся простота реализации сопряжения машин, высокая скорость обмена по отдельным линиям. Обладают они и существенными недостатками. Так, центральная УВМ перегружена задачами обеспечения связи с локальными микроЭВМ и связью их друг с другом; при отказе центральной машины связь между микроЭВМ теряется, и они становятся автономными. Последнее резко уменьшает эффективность системы. Необходимо учитывать и повышенный расход кабельной продукции.

Этих недостатков лишены шинная (магистральная) и кольцевая (петлевая) структуры.

В шинной структуре машины связаны между собой общим каналом передачи данных. Связь между машинами осуществляется благодаря их конкретным адресам. Управление шиной может осуществляться машинами, входящими в многомашинный комплекс (т. е. быть децентрализованным), или может быть передано специально выделенной для этого машине. Первый вариант более предпочтителен, так как при централизации управления выход из строя специальной ЭВМ приводит к отказу РСУ в целом.

Децентрализованные РСУ шинной структуры не рекомендуется использовать для сильно разбросанных ТОУ (расстояние между элементами которых превышает 2 — 3 км).

Кольцевая структура имеет высокоскоростной замкнутый канал связи. Отдельные машины подсоединяются к этому каналу с помощью специальных устройств связи. Для организации кольцевой структуры требуются более дешевые средств связи, чем для шинной. Однако надежность кольцевой структуры ниже, так как отказ любого устройства связи может привести к отказу системы в целом, хотя отдельные машины могу продолжать работать автономно. Для повышения живучести необходимо применение двойных колец или дополнительных линий связи с обходными путями. В зарубежных компьютерных системах кольцевая структура нашла широкое распространение.

Эффективным способом повышения надежности и живучести системы является использование комбинированных структур сочетающих достоинства структур разных типов.

Нормальная работа КТС и успешное решение задач управления ТОУ осуществляется на основе других видов обеспечения АСУТП.

Программное обеспечение (ПО) — совокупности программ и эксплуатационной программной документации, необходимых для реализации функций АСУТП и заданного режима функционирования КТС. Его разделяют на общее и специальное ПО.

Общее ПО поставляется в комплекте с вычислительной техникой и представляет собой совокупность операционной системы, системы управления базой данных, организующих, служебных и транслирующих программ, программ отладки и диагностики, библиотеки стандартных программ. Оно обеспечивав нормальную работу КТС АСУТП.

Специальное ПО — это совокупность программ, реализующих информационные и управляющие функции конкретной АСУТП. Оно разрабатывается на базе и с использованием общего ПО.

Несмотря на существенные различия ТОУ, в программах управления ими имеется много общего. Это позволяет разрабатывать для большей части функций управления типовые пакеты прикладных программ (ППП), которые сравнительно просто адаптируются под конкретные ТОУ. Так, разработаны ППП первичной обработки информации, расчета ТЭП, пуска и останова установки, регулирования и т. д.

Как правило, перед АСУТП химической технологии ставятся задачи одновременного решения нескольких прикладных задач, т. е. встает вопрос о мультипрограммном режиме, при котором на УВК параллельно выполняется несколько программ путем Совмещения времени работы периферийных устройств и процессора. Для реализации мультипрограммного режима ПО должно обеспечивать планирование порядка выполнения задач, организацию системы прерываний программ, распределять ресурсы УВК, производить защиту памяти от несанкционированного вмешательства одной задачи в другую при их параллельной работе.

Наиболее сложной задачей при разработке ПО является создание программ оптимального управления технологическим объектом. Успешное решение ее возможно лишь при наличии адекватной математической модели.

Математическое обеспечение (МО) представляет собой комплекс математических методов, моделей и алгоритмов. На его основе разрабатывается ПО.

Разработке алгоритмов и программ должен предшествовать анализ аналогичного материала в государственных и отраслевых фондах алгоритмов и программ.

Заимствованные алгоритмы, используемые при реализации ответственных функций системы (защита, НЦУ), после получения документации из фонда должны быть проверены на соответствие требованиям, предъявляемым к ним в данной системе.

МО и ПО должны охватить все функции управления, реализуемые УВК. Они должны быть составлены таким образом, чтобы исключалось дублирование программ, минимизировались необходимые вычислительные ресурсы. Структурой и характеристиками ПО и МО определяется следующий вид обеспечения АСУТП.

Информационное обеспечение (ИО) — совокупность сведений о потоках и массивах информации, характеризующих состояние АТК. Оно включает перечень и характеристики сигналов о ТОУ и системе управления; описание систем классификации и кодирования технической и технико-экономической информации; описание массивов информации, форм документов и видеокадров, используемых в системе; описание нормативно-справочной информации, используемой в системе. ИО должно обеспечивать полноту, непротиворечивость, отсутствие избыточности и дублирования информации, необходимой для реализации функций управления.

Метрологическое обеспечение — совокупность работ, проектных решений, технических и программных средств, а также организационных мероприятий, направленных на обеспечение заданной точности измерений.

Метрологическое обеспечение проводится для АСУТП и линий связи (в совокупности они дают информационно-измерительные системы — ИИС) на всех стадиях создания и функционирования АСУТП. На стадии разработки АСУТП должны обеспечиваться единство измерений и их точность для заданных условий эксплуатации за счет выбора определенных технических средств, а также их резервирования. Программными решениями должны обеспечиваться фильтрация измеряемых значений параметров и выбор достоверных значений. Разработчиками должны быть определены виды и порядок метрологической аттестации ИИС.

На стадии эксплуатации АСУТП метрологические службы предприятий проводят анализ состояния метрологического обеспечения ИИС и разработку мероприятий по повышению уровня и совершенствованию средств измерений, контроля и испытаний; осуществляют метрологическую аттестацию заданных средств измерений; организуют поверку средств автоматизации; проводят метрологическую экспертизу конструкторской и технологической документации на ИИС.

Организационное обеспечение представляет собой совокупность описаний функций и режимов работ АСУТП, а также ее технической и организационной структур. В него также входит план мероприятий по подготовке предприятия к внедрению АСУТП. Основными документами организационного обеспечения являются инструкции по действию как технологического персонала, так и персонала, обслуживающего вычислительную технику, в условиях функционирования АСУТП.

Лингвистическое обеспечение — это описание языковых средств общения оперативного технологического персонала с УВК.

Отметим, что при автоматизации ряда функций работа технологического персонала претерпевает значительные изменения. Так, на уровне диспетчера производства вычислительная техника решает задачи согласовании технологического режима отделений (цехов, установок, участков), расчета обобщенных ТЭП всего производства, составления отчетной документации. Наиболее значительные изменения происходят в работе технологического персонала при управлении технологическими установками (начальников установки и смены, операторов и аппаратчиков). Их труд при автоматизации большей части функций управления становится более творческим; он смещается в сторону поиска оптимальных технологических режимов работы вверенного им оборудования.

Автоматизация функций управления ТОУ создает предпосылки для изменения организационной структуры управления; объединения цехов, установок, участков с организацией единого пункта управления; сокращения числа уровней управления (например, можно исключить начальников смен и возложить их функции на старших операторов) и т. д.

Режимы работы АСУТП

В зависимости от степени участия человека в выполнении функции АСУТП различают два режима работы: автоматизировании и автоматический.

Автоматизированный режим. В этом режиме оперативный технологический персонал принимает активное участие в управлении. Возможны следующие варианты реализации этого режима.

При ручном управлении (РУ) технологический персонал по информации, получаемой по различным каналам о состоянии ТОУ, принимает решения об изменении технологического режима и воздействует на процесс дистанционно из операторской с помощью ручных задатчиков или органов управления или же непосредственно, закрывая или открывая запорную арматуру.

В режиме «советчика» ЭВМ рекомендует технологическому персоналу через монитор оптимальные значения наиболее важных режимных параметров (температуры в реакторе, расхода флегмы в ректификационную колонну и т. п.), обеспечивающих достижение цели управления. Технологический персонал на основании своего опыта и знаний анализирует полученные рекомендации, а также информацию о процессе и принимает решение о целесообразности изменения режима. В случае принятия «совета» он вмешивается в работу ТОУ, либо изменяя задания регулятору, либо непосредственно — как при ручном управлении. Недостатком этого режима является то, что оператору зачастую трудно проверить правильность выработанной ЭВМ рекомендации.

При диалоговом режиме технологический персонал имеет возможность получать по запросу через монитор дополнительную информацию о настоящем, прошлом и будущем процесса (например, о наличии сырья, о прогнозируемых показателях качества), и лишь после этого принимать решение о целесообразности изменения технологического режима.

Автоматический режим. Этот режим работы АСУТП предусматривает выработку и реализацию управляющих воздействий без участия человека. Реализуются следующие варианты данного режима:

супервизорное (косвенное) управление (СУ), когда ЭВМ автоматически изменяет уставки и (или) коэффициенты настройки локальных регуляторов. При этом на программном уровне решаются вопросы защиты ТОУ от опасных и неприемлемых изменений технологических параметров;

непосредственное (прямое) цифровое управление (НЦУ), при котором ЭВМ реализует результаты расчетов по поиску оптимальных режимов путем воздействия на исполнительные механизмы. Естественно, требования к надежности управляющей подсистемы в этом режиме резко возрастают. Она должна учитывать все возможные варианты работы ТОУ и не допустить выход его в неустойчивую зону, в которой возможны аварийные ситуации.

Из всех перечисленных режимов наиболее распространен режим «советчика»; при его реализации уменьшается возможность неправильных решений, основанных на неполной информации или принятых в непредвиденных алгоритмами обстоятельствах.

Режим СУ предусматривается на проектируемых и создаваемых АТК. Наиболее перспективен режим НЦУ — режим будущего. Он позволяет резко повысить эффективность ТОУ и исключить из КТС регистрирующие приборы и регуляторы, а значит, и громоздкие щиты управления. Однако успешное его внедрение возможно лишь при надежной вычислительной технике, использовании сложных оптимизационных методов поиска наилучших вариантов поведения ТОУ, адекватных математических моделях технологических процессов, автоматизации всех смежных технологических процессов на уровне АСУТП, реализации систем регулирования с самонастройкой.

АСУ ТП

Руководство предприятием — это сложный и трудоемкий процесс. Особенно если речь идет о крупном производстве, насчитывающем сотни сотрудников и большое количество оборудования. Для оптимизации и увеличения производительности компании нередко используются методы, которые позволяют автоматизировать ход работы. Мы подробно разберем, что это такое — автоматизированные системы управления технологическими процессами (АСУ ТП), из чего они состоят, а также для чего их применяют в различных областях бизнеса. Кроме того, пойдет речь о разновидностях решений. Также будет дан ответ на вопрос, как именно они помогают руководителям предприятия увеличивать свои показатели и достигать максимального результата.

Определение

Очень часто в публицистике и специализированной литературе используется буквосочетание для обозначения этого комплекса мер. Прежде чем разбираться в сути понятия, которое описывается в данном материале, необходимо выяснить, как расшифровывается аббревиатура АСУ ТП. Как уже было указано выше, это автоматизированные системы управления технологическими процессами.

Теперь стоит подробнее разъяснить, что они представляют собой. Если кратко, то это совокупность решений, которые направлены на осуществление различных операций на предприятии. Они включают в себя как оборудование, так и специализированное программное обеспечение, применяются в разных отраслях промышленности, сфере транспорта, энергетике и многих других. Чтобы не возникало путаницы, крайне важно понимать, в чем отличие между автоматическими и автоматизированными типами управления. Последние характеризуются тем, что некоторые функции сохраняются за сотрудниками – операторами. Как правило, это задачи, которые невозможно делегировать машинам.

Назначение

Существует ряд преимуществ у использования указанных комплектов. Прежде всего, система АСУ ТП – это отличная возможность увеличить эффективность установленной на предприятии техники. Кроме того, эта совокупность мер позволяет исключить ошибки в рабочих процессах и сделать их мониторинг более удобным. Еще одна сильная сторона подобного подхода к делу – это шанс обнаружить и в кратчайшие сроки исправить все неполадки, которые возникли в результате ручного управления.

Внедрением новых методик, обслуживанием коммуникаций, а также принятием всех важных решений внутри организации, связанных с технологиями, занимается отдел АСУ ТП.

Цели

Современные решения делают возможным достижение нескольких важных задач для компании. Это быстрый рост уровня производительности товаров или услуг. Кроме того, внедрение нововведений в систему – это потенциал для повышения рентабельности производства и получаемой от его функционирования прибыли. Приборы нередко выполняют свои функции более эффективно, чем работники. Даже если у сотрудников высокая квалификация.

В глобальном смысле существует две цели у использования АСУ ТП в промышленности:

1. Освобождение персонала от необходимости выполнять трудоемкие и опасные операции.
2. Увеличение производительности, качества выпускаемой продукции и доходов.

Состав

Сюда входит ряд обеспечений, каждое из которых выполняет свои функции. Среди них:

• информационное – это вся документация и нормативная база, которая применяется в процессе функционирования;
• техническое – совокупность всех машинных и инженерных средств, которые обеспечивают бесперебойную работу коммуникаций;
• программное – общее и специализированное ПО, которое используются для автоматизации АСУ ТП;
• организационное – акты, которые регулируют действия персонала, а также мероприятия, которые направлены на внедрение инновационных решений.
• метрологическое – использование всех методов, которые нужны для того, чтобы производить точные измерения всех необходимых параметров;
• эргономическое – перечень принятых мер, направленных на изучение психологических и физиологических характеристик пользователей;
• оперативный персонал – сотрудники, задачи которых – обслуживание и контроль работы.

Классификационные признаки

Существует несколько основных критериев, по которым разделяются автоматизированные системы управления технологическими процессами АСУ ТП. Первый – это сфера функционирования. Например, объект может быть задействован в строительной отрасли, сельском хозяйстве, химической промышленности и многих других.

Второй – это разновидность операций, которыми руководят. К примеру, экономические, технологические и так далее. Последний параметр – это уровень, на котором осуществляется менеджмент – цех, завод, министерство.

Виды

Существует несколько стандартных типов мер, которые применяются на предприятиях. Прежде всего, это уже знакомые нам АСУ технологическими процессами и производством. Они предназначаются для решения проблем, связанных с оперативным управлением на заводе, в сфере транспорта и других отраслях.

Следующая разновидность – это автоматизация интеллектуального труда. Вычислительное оборудование способствует облегчению умственной работы человека.

Выделяют также автоматизированные системы управления производством. Их применяют для поиска путей реализации программ, связанных с входящей и исходящей логистикой, учетом товаров, планирования и схожих задач. Еще один тип – функциональные. Они нужны для разработки плановых расчетов и других целей.

Принцип действия

Схема работы систем и средств управления технологическими процессами (АСУПТ) – это необходимые изменения их параметров посредством задействования интеллектуальных методов измерения и последующего оперирования.

Весь комплекс состоит из датчиков, полевого оборудования, исполнительных механизмов. Индикаторы фиксируют данные, которые необходимо контролировать. Также они подают сигнал на промышленные контроллеры. Еще один элемент – программируемые машины. Их часто обозначают аббревиатурой ПЛК. Это средний уровень АСУ ТП. На нем осуществляется запуск и остановка станков, аварийное отключение, а также контроль всех функций.

В это время диспетчер занимается отслеживанием производственного процесса. Еще одна его задача – удаленное управление работой всех механизмов. На верхнем уровне происходит составление регулярных отчетов и архивация поступающих данных.

До операторов доводится вся необходимая для мониторинга информация. Данные отображаются в виде мнемосхемы. На их основе контроллер принимает решения и передает сигналы исполнительным машинам.

Структурные особенности

Автоматизированная система управления технологическим процессом — это структура, которая состоит из нескольких уровней. На каждом из них осуществляется определенный набор действий, направленный на улучшение эффективности и производительности. Нижний и полевой укомплектованы индикаторами, а также исполнительным оборудованием. Средний отвечает за считывание сигналов, которые передаются датчиками. Как было указано ранее, на верхнем происходит составление отчета о функционировании, обработке данных и архивировании.

Описанная схема позволяет руководителям предприятий повысить показатели, повысить объемы выпускаемой продукции. В результате увеличивается прибыль компании.

Профессиональная разработка

Создание качественной автоматической системы управления технологическим процессом – это сложное и ответственное дело. Поэтому доверить его стоит профессионалам, у которых есть соответствующие навыки и опыт. Например, можно обратиться в компанию «Клеверенс». Мы занимаемся выпуском готовых решений для бизнеса уже больше 15 лет. Обратившись к нам за услугами, каждый клиент получает полный спектр «под ключ» – начиная от планирования и заканчивая введением в эксплуатацию.

Организация предоставляет владельцам предприятий тщательную разработку автоматизированных систем управления технологическим процессом, которая основывается на поставленных задачах и потребностях руководителей. Этот комплекс решений увеличит производительность и за короткий промежуток времени окупит средства, которые были вложены в его создание.

Функции

Существует несколько основных функциональных предназначений. Прежде всего – это планирование и прогнозирование. Таким образом можно рассчитать показатели от деятельности компании в будущем. Еще одна причина, по которой владельцы фирм прибегают к использованию подобных методов, это возможность производить обработку информации – хранить, мониторить, тиражировать, а также преобразовывать полученные данные. Кроме того, система автоматизации и управления технологическими процессами расширяет возможности для передачи важных сведений лицам, ответственным за принятие решений, а также для создания новых.

Структура

Как было указано ранее, комплекс мер состоит из нескольких уровней. У каждого из них собственная функция. Задача нижнего уровня – это сбор показателей и передача сигналов на промышленные контроллеры. Те, в свою очередь, считаются средней ступенью. Цель такой техники заключается в запуске, остановке, аварийном отключении и регулировке работы машин в автоматическом режиме. Информация поступает на сервера, а также станции – операторские и инженерные. Эти приспособления считаются верхом всей структуры. На нем нужно производить обработку и архивацию. Данные передаются живым работникам – диспетчерам. В обязанности этого человека входит мониторинг, а также дистанционное управление механикой.

Автоматическая идентификация объектов учёта на производстве при помощи RFID оборудования и программного обеспечения Wonderfid

Одна из статей затрат – это внедрение специальных меток для распознавания станков или других машин. Технология заключается в радиочастотном опознании. Полное название – Radio Frequency IDentification. Ее применяют не только на производстве. Она активно задействована в сфере транспорта. Например, по ней работают чипы в картах для бесконтактной оплаты проезда в метро или автобусах. Еще одна область – заграничные паспорта нового поколения, которые по желанию получателя выдаются в Российской Федерации с 2009 года. В последнее время этот метод набирает популярность и занимает существенную долю рынка.

Метка RFID состоит из нескольких элементов, которые обеспечивают ее функционирование. К ним относятся:

• микросхема, которая содержит всю необходимую информацию;
• антенна – она является передатчиком данных;
• оболочки, – в нее заключаются вышеуказанные компоненты;
• корпус – служит для крепления к объектам.

Сканирование осуществляется при помощи специальных приборов – считывателей. Кроме того, эти устройства ведут запись и выполняют особые команды. К примеру, удаление для обеспечения конфиденциальности.

Существует несколько разновидностей конструкций. Самая распространенная – это дисковая. Она изготавливается из пластика. В центре расположено отверстие для крепления посредством винта.

Распространены также варианты в форме стеклянной или пластиковой колбы. Такие применяются в ветеринарии – вводятся под шкуру животных. Кроме того, на рынке представлены решения для работы в ситуациях, где нужна устойчивость к механическим повреждениям.

Описанная технология широко применяется на производстве в различных областях. С ее помощью происходит идентификация запасов на складе. Владелец предприятия может отслеживать количество товаров, потери. К тому же это помогает автоматизировать процесс менеджмента.

Если речь идет о производстве, то с помощью RFID оборудования ведется мониторинг количество инструмента, произведенной продукции и персонала..

Печать этикеток – сложный технологический процесс. Для его проведения задействуется специализированное ПО. Одна из распространенных программ – это Wonderfid. В ней задействована запатентованная технология. В отличие от аналогов пользователь может одновременно печатать и кодировать метки на специальных принтерах.

Заключение

В этом статье шла речь про АСУ ТП, мы рассказали, что это такое, дали определение и расшифровку. Если проанализировать всю указанную в данном материале информацию, то можно сделать вывод, что это комплекс мер, направленных на улучшение показателей на предприятии, оптимизацию работы и увеличение получаемой прибыли. Кроме того, с помощью АСУ ТП руководство фирмы может избежать ошибок, связанных с человеческим фактором, а также устранить уже существующие последствия. Они применяются в большом количестве компаний из различных сфер – от транспортных услуг до энергетики.

Это комплекс программных и машинных решений, которые помогают автоматизировать рабочие процессы на предприятии. Отличие от автоматических в сохранении ряда функций за живыми сотрудниками – операторами.

У описанных в статье систем сложная структура. Они делятся на несколько уровней, на каждом из которых выполняются собственные функции. Нарушение хотя бы одного из них приводит к неправильной работе. Отдельного внимания заслуживает состав. В него входят различные виды обеспечения: информационное, метрологическое, техническое и многие другие.

Кроме того, мы разобрали оборудование АСУ ТП – что это, какие виды бывают, и где они применяются. В числе прочего для идентификации используются специальные метки, работающие на основе радиочастотного опознания. Они отличаются по способу исполнения, габаритам и формам. Для сканирования используются приборы – считыватели. С их помощью можно также записывать информацию на чипы или удалять ее. Для изготовления этикеток применяется специфическое программное обеспечение. Хороший вариант – Wonderfid. Это приложение действует по уникальной запатентованной технологии.

Приобретения оборудования для АСУ Т – это ответственное дело и серьезная статья расходов. Поэтому обращаться необходимо только к профессионалам с опытом на рынке, например, в компанию «Клеверенс». В нашем каталоге вы найдете различные решения, которые помогут наладить оптимизацию и автоматизацию различных бизнес-процессов.

Количество показов: 14890

Промышленное программирование, или Пара слов об АСУ ТП

Есть такая профессия — производство автоматизировать. Аббревиатура АСУ ТП означает «автоматизированная система управления технологическим процессом» — это система, состоящая из персонала и совокупности оборудования с программным обеспечением, использующихся для автоматизации функций этого самого персонала по управлению промышленными объектами: электростанциями, котельными, насосными, водоочистными сооружениями, пищевыми, химическими, металлургическими заводами, нефтегазовыми объектами и т.д. и т.п.

Фактически, каждый человек, живущий не в лесу и пользующийся благами цивилизации, использует результаты труда предприятий, на которых функционируют АСУ ТП.

Иногда на эту тему проскакивают статьи и на хабре. Обычно они не пользуются особой популярностью, но всё же я хочу написать несколько обзорных статей об АСУ ТП в надежде рассказать хабравчанам что-то интересное (а возможно, кому-то даже полезное) и привлечь на хабр больше своих коллег.

Сначала пара слов о себе. Я только начинаю свой жизненный путь в автоматизации, опыт работы без малого два года. За это время побывал на нескольких газовых месторождениях, сейчас работаю на нефтяном.

Поскольку область обширная, несмотря ни на что развивающаяся, местами противоречивая и спорная, буду стараться обобщать не в ущерб достоверности, но не могу избежать перекоса в свою область — то оборудование, софт и сферу, с которыми лично я сталкивался.

Итак, программно-технический комплекс АСУ ТП делится на три уровня: верхний (компьютеры), средний (контроллеры), нижний (полевое оборудование, датчики, исполнительные механизмы). Про нижний уровень рассказывать не буду — слишком уж это далеко от от тематики хабра, да и статья получится слишком большая.

Верхний уровень

Верхний уровень — это серверы и пользовательские ПК (у нас они называются АРМ — автоматизированное рабочее место). Сюда выводится состояние технологического процесса, и отсюда при необходимости оператором подаются команды на изменение его параметров. Для упрощения разработки создано большое количество SCADA-систем (от англ. supervisory control and data acquisition — диспетчерское управление и сбор данных). Это в некотором роде расширенный аналог IDE, в котором скомпилированная «программа» и выполняется.

Системы SCADA

Вообще, если отбросить академизм, то на предприятии для всех кроме асушников скада выглядит вот так:

А если совсем не повезёт, то вот так:

Скады неявно можно разделить на серверную и клиентскую части. Опрос полевых устройств и сбор данных производится сервером (обычно, через ПЛК), с сервера клиенты забирают эти данные к себе на монитор. Сами по себе понятия «серверная» и «клиентская» части условны. Фактически разделение производится по лицензиям на компоненты скады, а политика лицензирования у каждого производителя своя. Вплоть до разделения на: количество обрабатываемых сигналов с поля, драйвера протоколов, количество рабочих станций, возможность создания веб-интерфейса, мобильного интерфейса, да и вообще целые куски функционала могут быть за отдельные денжеки. Чаще проще обратиться к поставщику, предоставив исходные данные по проекту, чтобы помогли с подбором лицензий.

Подразумеваются два режима функционирования: режим разработки и режим выполнения (runtime). Не обязательно эти режимы взаимоисключающи: можно редактировать проект на одном АРМе, инженерном, заливать его, он обновится на пользовательских. Это очень важно — изменять проект без простоев и отключений, потому что технологический процесс прерывать нельзя, и операторы всегда должны иметь возможность его контролировать. В скаде создаются графические интерфейсы, настраиваются источники данных с полевых устройств, она отвечает за взаимодействие пользователя (оператора, диспетчера, технолога) с происходящим на производстве, а также за архивирование всех нужных данных в БД.

Архивирование — одна из обязательных функций, очень важно иметь возможность «вернуться назад во времени» для разбора полётов в случае чего-то непредвиденного либо для глобального анализа при медленных, длительных процессах. Например, недавно геологи попросили меня выгрузить табличкой данные по давлению нефти на скважинах за последний год.

Периодически скада складывает все собранные данные в БД. Их потом можно посмотреть в виде графиков (называем их трендами), а при необходимости, если оговорено в ТЗ на АСУТП, реализуется выгрузка в виде отчётов в эксель или ещё как-нибудь. Архивация сделана по-разному: в MS SQL; MS Access; в ту же MS SQL, но по своему хитрому алгоритму с дополнительной архивацией; а у кого-то вообще в свою собственную бинарную БД.

Особым пунктом в скадах идёт информирование оператора: текущие сообщения и аварийные. Они тоже обязательно архивируются. В общем виде сообщения делятся на текущие и важные (аварийные). Текущие прячут подальше, но журнал аварийных всегда выводится на экране оператора. К текстовым аварийным сообщениям привязываются звуковые, чтобы кто-нибудь не проспал ЧП

Рынок SCADA

Самыми распространёнными, по-моему, считаются скады производства Invensys Wonderware, Iconics, Siemens, Indusoft, AdAstra, Emerson, Rockwell Automation.

Я лично работал с виндовыми: Invensys Wonderware InTouch и более мощной System Platform, с Iconics Genesis32 — и с (пока ещё?) малоизвестной B&R APROL под SLES (формально, это не совсем скада, а покруче — из-под апрола программируются и сами контроллеры).

По поисковым запросам, например, SCADA, HMI можно посмотреть примеры интерфейсов и мнемосхем.

Внешний вид и юзабилити по приоритету, увы, находятся на последнем месте. Причём, это касается не только рантайма, но и разработки. Для разработки в каждой скаде существуют как минимум дефолтные библиотеки символов — от кнопок и прочих контролов до графических изображений насосов, труб, задвижек, ёмкостей. Здесь-то и могли бы умные разработчики SCADA-пакетов (не путать с нами, асушниками — разработчиками проектов в этих пакетах) добиться принципиального преимущества над конкурентами, сделав продуманные библиотеки, из которых бы даже самый далёкий от дизайна и юзабилити инженер при всём нежелании делал бы гуманные интерфейсы и мнемосхемы. К сожалению, сейчас эта сфера идёт по пути экстенсивного развития, по которому развивалась IT до недавнего времени — наращивание функционала, добавление плюшек, больше, выше, сильнее, harder,

better

, stronger, и о пользователях пока думают мало.

Средний уровень

Средний уровень — ПЛК, программируемые логические контроллеры. Здесь всё достаточно просто, чаще всего физически ПЛК состоят из отдельных модулей. Для программирования у каждого ПЛК есть своя среда разработки, иногда она объединена со средой для создания SCADA.

Состав ПЛК

Модули бывают такие:

• блок питания;
• процессорный;
• дискретных входов;
• дискретных выходов;
• аналоговых входов;
• аналоговых выходов;
• температурных входов;
• интерфейсные/коммуникационные.

Контроллер B&R серии X20

Зачем нужен блок питания — понятно. БП сделан отдельным именно модулем, а не устройством, чтобы гарантировать совместимость с данной линейкой ПЛК. Чаще всего входное напряжение у БП 220 В переменного тока, выходное — 24 В постоянного тока.

Процессорный модуль — это голова ПЛК. Внутри у него, само собой, ЦПУ, ОЗУ и ПЗУ, сервисный порт для прошивки и, возможно, коммуникационный порт (ethernet, RS232/422/485, Profibus, etc). Иногда коммуникационный порт используется и как сервисный. Иногда на модуле есть переключатель (у Allen Bradley ещё круче — там натуральный ключ с замочной скважиной) для перевода ПЛК в различные режимы работы. Отдельной кнопки включения/выключения нет, в лучшем случае — тот переключатель, иначе, если есть питание — ПЛК запускается, а выключается и перезагружается «по-варварски» отключением питания.

Контроллер Allen Bradley серии CompactLogix

Дискретные и аналоговые модули обрабатывают соответствующие сигналы. Входные модули принимают эти сигналы с поля, выходные — формируют их.

Дискретный сигнал — это обычно напряжение цепи 24 вольта. Есть 24 — это «1», нет — «0». Бывают модули на 220В, есть модули с проверкой целостности цепи. Дискретные сигналы, приходящие с поля, могут информировать, например, о состоянии насоса включен/выключен. Управляющие дискретные сигналы могут запускать либо останавливать этот насос. Оптимизация здесь не оправдана, поэтому на запуск будет отдельная цепь, на останов — отдельная.

Модули I/O одного типа могут быть объединены: например, один модуль с 16 дискретными входами и 16 дискретными выходами.

Аналоговые входные сигналы — это приходят показания с датчиков. Здесь чаще всего используется токовая петля 4-20 мА, в соотетствие которой ставятся пределы измерения датчика. Начинается от 4 мА для диагностирования обрыва цепи (если меньше 4 мА, значит где-то что-то не в порядке с проводкой).

Рассмотрим на примере уровня жидкости в резервуаре. Стоит уровнемер, он измеряет уровень от 0 до 2 метров. Тогда: уровень 0 метров — это 4 мА, уровень 2 метра — это 20 мА. Промежуточные значения калибруются по ситуации, не всегда 1 метр соответствует 4+(20-4)/2=12 мА, может быть небольшая погрешность, уровень в 1 метр может быть какие-нибудь 12,7553 мА.

Аналоговые выходные — то же, только на управление. Не встречал чтобы использовалось, т.к. всегда существуют наводки. В измерении это допустимая погрешность, в управлении — нет. Да и неудобно это. Вместо них используется цифровая передача данных по различным протоколам через коммуникационные модули.

Температурные модули замеряют сопротивление в цепи либо термо-ЭДС. Если на них подключаются термометры сопротивления — при нагревании металла его сопротивление, по законам физики, повышается, соответственно определяется температура. Если подключается термопара (два спаянных проводника из разных металлов, при нагревании стыка возникает разность потенциалов между другими концами), замеряется напряжение.

Интерфейсные (или коммуникационные) модули предоставляют нам порты под RJ45, DB9, DB15, просто клеммники или что ещё бог производителю на душу положит. Помимо реализации непосредственно интерфейса (физического разъёма под коннектор, физического уровня модели OSI) они также реализуют протокол обмена через этот разъём.

Протоколы и интерфейсы

Протоколов напридумывали и используют кучу: ModBus (RTU, TCP, ASCII), Profibus, Profinet, CAN, HART, DF1, DH485 и т.д. Некоторые особо хитрые производители реализуют свои протоколы поверх общепринятых.

Я достаточно тесно знаком с интерфейсами RS232/485 и протоколами Modbus. RS232 это всем знакомый COM-порт, с тремя основными линиями: Tx (transmit, передача), Rx (recieve, получение) и GND (ground, земля). RS485 это асинхронный полудуплексный последовательный интерфейс по 2 проводам (совмещённые Tx/Rx+ и Tx/Rx-) или 4 проводам (отдельно Tx+, Tx-, Rx+, Rx-) с разностью потенциалов на каждой паре от 2 до 10 вольт.

А модбас это в общем-то нехитрая штука, с проверкой целостности пакета по чексумме, подтверждением доставки и корректности запроса — или ответом, почему запрос неверен. В сети модбас есть два вида устройств: master — инициирует обмен; slave — выполняет запросы мастера. Пакет от мастера расходится ко всем слейвам, которые сравнивают адрес назначения со своим, если сходится, то смотрят следующие два байта — это команда работы с регистрами памяти — чтение/запись (за исключением нескольких редко используемых служебных команд), потом байты адреса и непосредственно данных, в конце чексумма. Достаточно подробно и понятно расписано на википедии.

Программная начинка

Первое, что нужно сказать, программа в ПЛК выполняется циклически с определённой частотой. Возможности зависят от контроллера, обычно это где-то 20, 50, 250 мс, 1, 2, 3, 4, 5 с. Естественно, это не гарантирует выполнение кода именно за такой промежуток времени, нельзя большие программы пихать в цикл 20 мс, к началу следующего цикла предыдущий должен быть завершён.

Второе, это языки программирования. По идее программируются ПЛК на языках, определённых стандартом МЭК61131:

1. IL (Instruction List) — низкоуровневый ассемблероподобный язык.
   
2. LD (Ladder Diagram) — графический язык, представляет собой программную реализацию электрических схем на базе электромагнитных реле. Придумано в лохматые года для тех асушников, которые больше электрики, чем программисты.
   
   IL и LD легко конвертируются друг в друга, кажется, всеми средами программирования. Они не очень читабельны, и потому неудобны для разработки, но в ситуациях, когда внутренней памяти контролера немного, приходится писать на них.
3. ST (Structured Text) — текстовый паскалеподобный язык. По-моему, из всех пяти самый удобный.
   
4. FBD (Function Block Diagram) — своего рода графический язык, «блоксхемоподобный». Программа составляется из функциональных блоков, которые представляют собой подпрограммы, написанные на каком-либо из языков стандарта МЭК61131. У каждого ФБ есть входы и выходы, которые соединяются со входами и выходами других ФБ. Кому-то, возможно, удобнее делать так, чем писать всё на том же ST.
   
5. SFC (Sequential Function Chart) — графический высокоуровневый язык. Создан на базе математического аппарата сетей Петри. Описывает последовательность состояний и условий переходов. Ни разу не встречал и не слышал, чтобы где-то использовался.
   

Это «по идее». Но, например, Siemens придерживается своего наименования языков, а у B&R есть возможность писать на ANSI C.

Самые используемые контроллеры, безоговорочно, у Siemens и Allen Bradley (последним, к слову, принадлежит Rockwell Automation со своей линейкой SCADA-пакетов RSView). За ними по пятам идут Schneider Electric; ОВЕН; General Electric; AutomationDirect; ICP DAS; Advantech; Mitsubishi Electric; B&R.

Заключение

Пост не претендует на полное справочное описание всего — очень уж разное оборудование, софт и подходы к ним в целом. Самым формально безошибочным рассказом об АСУТП было бы перечисление соответствующих ФЗ, ГОСТов, техстандартов и регламентов. Все возможные расхождения с этими документами считать опечатками С радостью принимаются комментарии, поправки и, если интересно, пожелания для следующих статей.

Смотреть что такое АСУ ТП в других словарях:

Автоматизированная система управления технологическими процессами (АСУ ТП) — это совокупность аппаратно-программных средств, которые осуществляют контроль и управление производственными и технологическими процессами, поддерживают обратную связь и активно воздействующих на ход процесса при отклонении его от заданных параметров, а также обеспечивают регулирование и оптимизацию управляемого процесса.

АСУТП используется для выполнения следующих функций:
• Целевое применение в качестве законченного изделия под определенный объект автоматизации;
• Стабилизация заданных режимов технологического процесса путем измерения и обработки значений технологических параметров, их визуального представления и выдачи управляющих воздействий в режиме реального времени на исполнительные механизмы, как в автоматическом режиме, так и в результате действий технолога-оператора;
• Анализ состояния технологического процесса, выявление предаварийных ситуаций и предотвращение аварий путем переключения технологических узлов в безопасное состояние, как в автоматическом режиме, так и по инициативе оперативного персонала;
• Обеспечение инженерно-технического персонала завода необходимой информацией с технологического процесса для решения задач контроля, учета, анализа, планирования и управления производственной деятельностью.

Уровни АСУТП

АСУТП подразделяется на 4 уровня:
• уровень технологического процесса (полевой уровень);
• уровень контроля и управления технологическим процессом (контроллерный уровень);
• уровень магистральной сети (сетевой уровень);
• уровень человеко-машинного интерфейса (верхний уровень).

Полевой уровень

Полевой уровень формирует первичную информацию, обеспечивающую работу всей АСУТП. На этот уровень адресно поступают и реализуются управляющие воздействия.
Оборудование полевого уровня составляют первичные преобразователи (датчики), исполнительные органы и механизмы.
Датчик — устройство, преобразующее физические параметры технологического процесса в электрические сигналы, поступающие в дальнейшем на контроллер.
Исполнительный орган — орган, воздействующий на технологический процесс путем изменения пропускной способности.
Исполнительный механизм — устройство, преобразующее электрические сигналы в физические воздействия, осуществляющее управление параметрами технологического процесса в автоматическом или ручном режиме.

Контроллерный уровень

Уровень контроля и управления процессом выполняет функции сбора и первичной обработки дискретных и аналоговых сигналов, выработки управляющих воздействий на исполнительные механизмы.
Оборудование среднего уровня составляют программируемые контроллеры, устройства связи и с объектом (УСО), шкафы кроссовые и шкафы с контроллерами и вспомогательными средствами автоматизации и вычислительной техники.
Контроллер — устройство, предназначенное для получения в реальном времени информации с датчиков, преобразования ее и обмена с другими компонентами системы автоматизации (компьютер оператора, монитор, база данных и т. д.), а также для управления исполнительными механизмами.

Сетевой уровень

Уровень магистральной сети является связующим звеном между контроллерами и станциями оператора. Основой этого уровня АСУТП можно считать цифровую промышленную сеть, состоящую из многих узлов, обмен информацией между которыми производится цифровым способом.

Верхний уровень

Уровень человеко-машинного интерфейса, обеспечивающий трудовую деятельность человека-оператора АСУТП в системе «человек-машина» (СЧМ), в иностранной интерпретации «HMI-Human-Mashine-Interface».

Этапы проектирования автоматизированных систем управления технологическим процессом

Процесс создания автоматизированных систем управления технологическим процессом можно разбить на следующие этапы:
а) детализация технических требований на создаваемую диспетчерскую систему контроля и управления;
б) разработка проектно – сметной документации в сокращенном или полном объеме;
в) сбор и изучение исходных данных;
г) составление полного перечня переменных;
д) комплектация системы;
е) разбиение объекта управления на технологические участки и последующая распределение переменных по участкам и группа;
ж) создание базы данных;
и) создание статических частей графических экранов интерфейса оператора;
к) заполнение графических экранов интерфейса оператора динамическими элементами;
л) составление схемы переходов между графическими экранами оператора;
м) составление алгоритмов управления (для всех возможных режимов работы объекта, в том числе аварийного);
н) генерация печатных документов;
п) верификация базы данных;
р) разработка эксплуатационной документации;
с) тестирование системы в автономном режиме (без УСО);
т) монтаж;
у) тестирование системы в рабочем режиме (с УСО);
ф) внедрение, в том числе пусконаладка и обучение персонала.

Принцип работы АСР и законы регулирования

Все процессы управления, и в частности регулирования, имеют общие закономерности, не зависящие от конкретных целей и объектов управления.
Для лучшего понимания, рассмотрим процесс управления на примере процесса регулирования уровня в емкости при произвольно изменяющемся потреблении жидкости.

Регулирование уровня в емкости:
1 — клапан; 2 — емкость; 3 — насос.

Стабилизировать уровень на конкретном заданном значении можно изменением притока в зависимости от отклонения уровня от заданного значения. Примем, что вначале уровень в емкости постоянный и равен заданному. Случайное уменьшение потребления вызовет отклонение уровня выше заданного, и в такой ситуации прикрывают клапан на притоке. При отклонении уровня ниже заданного значения клапан, наоборот, больше приоткрывают.
Этот процесс регулирования также состоит из пяти составляющих. Во-первых, получение информации о заданном значении уровня. В данном случае это значение заранее известно. Во-вторых, получение информации о фактическом уровне, т. е. его измерение. В-третьих, определение величины и знака отклонения уровня от заданного. В-четвертых, установление требуемого изменения притока в зависимости от величины и знака отклонения. В-пятых, изменение притока открытием или закрытием клапана.
В данном примере процесс управления был неавтоматическим: в нем принимал участие человек, в то время как в АСР процесс управления осуществляется автоматически. Так, регулировать уровень в емкости автоматически можно, например, с помощью АСР, показанной на рисунке ниже.

Автоматическое регулирование уровня в емкости:
1 — поплавок; 2 — рычаг; 3 — шток; 4 — клапан.

Поплавок 1 в этой системе перемещается вместе с уровнем, а клапан 4 изменяет расход на притоке. Поплавок связан с клапаном через поворотный рычаг 2 и прикрепленный к нему шток 3.
В такой АСР любое отклонение уровня от заданного, вызванное колебаниями потребления, приведет к перемещению поплавка и связанного с ним клапана. При отклонении уровня выше заданного клапан будет прикрываться, а при отклонении ниже заданного, наоборот, приоткрываться.
Таким образом, в этой системе все указанные составляющие процесса регулирования выполняются автоматически: при отклонении уровня от заданного значения поплавок отклоняет рычаг, а перемещение штока изменяет степень открытия клапана и приводит тем самым к требуемому изменению притока.
Из рассмотренного примера видно, что для управления любым объектом необходимо получить информацию о заданном и фактическом его состоянии, определить отклонение фактического состояния от заданного, и на основе данных параметров выработать целенаправленное воздействие на объект и осуществить его.
В процессе работы системы автоматического регулирования регулятор сравнивает текущее значение измеряемого параметра Х, полученного от датчика Д, с заданным значением (заданием Z) и устраняет рассогласование регулирования e (e=Z-X). Внешние возмущающие воздействия также устраняются регулятором. Структурная схема непрерывного регулятора с аналоговым выходом приведена на рисунке ниже.

Выход Y регулятора (сигнал 0…20мА, 4…20мА, 0…5мА или 0…10В) воздействует через электропневматический преобразователь Е/Р сигналов (с выходным сигналом 20…100кПа) или электропневматический позиционный регулятор на исполнительный элемент К (регулирующий орган).Где:
• Z – сигнал задания (задатчик может быть встроен в регулятор);
• X – регулируемый технологический параметр (переменная);
• е – рассогласование регулятора;
• Д – датчик;
• НП – нормирующий преобразователь (в современных регуляторах является входным устройством);
• Y – выходной аналоговый управляющий сигнал;
• Е/Р — электропневматический преобразователь;
• К – клапан регулирующий (регулирующий орган).

Таким образом любой регулятор имеет два входа (задание и переменная) и один выход (управляющий сигнал).

Типы действия регуляторов

По направлению действия выходного сигнала регуляторы бывают двух типов – прямого или обратного действия.

Законы регулирования

Пропорциональный закон регулирования, П-регулятор

Принцип действия заключается в вырабатывании регулятором управляющего воздействия на объект пропорционально величине ошибки (чем больше ошибка е, тем больше управляющее воздействие Y).
Настроечным параметром будет являться коэффициент усиления (коэффициент пропорциональности) К_Р.

Интегральный закон регулирования, И-регулятор

Управляющее воздействие пропорционально интегралу от ошибки. Настроечным параметром будет являться коэффициент интеграции (время интегрирования) КI.

Пропорционально-интегральный закон регулирования, ПИ-регулятор

ПИ-регулятор представляет собой сочетание П и И регуляторов. Настроечными параметрами будут являться коэффициент интеграции (время интегрирования), коэффициент усиления (коэффициент пропорциональности) К_I и К_Р.

Дифференциальный закон регулирования, Д-регулятор

Д-регулятор генерирует управляющее воздействие только при изменении регулируемой величины. Настроечным параметром будет являться коэффициент дифференциации (время дифференцирования) К_D.

Пропорционально-дифференциальный закон регулирования, ПД-регулятор

ПД-регулятор представляет собой сочетание П и Д регуляторов. Настроечными параметрами будут являться коэффициент дифференциации (время дифференцирования), коэффициент усиления (коэффициент пропорциональности) К_Р и К_D.

Интегрально-дифференциальный закон регулирования, ИД-регулятор

ИД-регулятор представляет собой сочетание И и Д регуляторов. Настроечными параметрами будут являться коэффициент дифференциации (время дифференцирования), коэффициент интеграции (время интегрирования) К_I и К_D.

Пропорционально-интегрально-дифференциальный закон регулирования

ПИД-регулятор представляет собой сочетание П, И и Д регуляторов. Настроечными параметрами будут являться коэффициент дифференциации (время дифференцирования), коэффициент усиления (коэффициент пропорциональности), коэффициент интеграции (время интегрирования) К_I , К_Р и К_D.

Определение параметров объекта управления

Объектом управления называется динамическая система, характеристики которой изменяются под влиянием возмущающих и управляющих воздействий. Объектами управления могут быть механизмы, машины и аппараты, в которых протекают технологические процессы (измельчение, перемешивание, кристаллизация, сушка и т.п.).
Одной из основных характеристик объекта управления является его передаточная функция. Для получения передаточной функции ОУ необходимо изменить на небольшую величину входной параметр ОУ и отслеживать во времени выходной параметр ОУ до тех пор, пока он не примет стабильное неменяющееся значение.

Из переходной функции ОУ можно вычислить следующие характеристики:
1. К — коэффициент усиления ОУ;
2. Т — постоянная времени ОУ (время нарастания);
3. τ — время запаздывания ОУ.
Эти характеристики являются основными и необходимы при выборе и расчете настроечных параметров регуляторов.

Определение направления действия регулятора

Если при увеличении выходного сигнала (управления) переменная и задание то же увеличиваются, то необходимо выбрать обратный регулятор, т. к. направление действие регулятора должно быть противоположно действию процесса.
Если при увеличении выходного сигнала (управления) переменная и задание то же уменьшаются, то необходимо выбрать прямой регулятор, т. к. направление действие регулятора должно быть противоположно действию процесса.

Выбор типа регулятора

Основные области применения типов регуляторов определяются с учетом следующих рекомендаций:
• И–регулятор с статическими ОУ – при медленных изменениях возмущений и малом времени запаздывания (τ/Т< 0,1);
• П–регулятор со статическим и не статическим ОУ – при любой инертности и времени запаздывания, определяемые соотношением τ/Т ≤ 0,3;
• ПИ–регулятор при любой инертности и времени запаздывания ОУ, определяемом соотношением τ/Т ≤ 1;
• ПД и ПИД – регуляторы при условии τ/Т > 0,8 и малой колебательности переходных процессов.

Определение настроечных параметров регулятора

На основании формул таблицы настройки регуляторов рассчитываем параметры регулятора в зависимости от типа желаемого переходного процесса:

Качество настройки контуров управления напрямую влияет на стабильность ведения технологических процессов и получение продукции требуемого качества.

Процесс АСУТП, Обозначение АСУТП