Файл: Учебное пособие для студентов специальности 220301 Автоматизация технологических процессов и производств.pdf

3
Министерство образования и науки Российской Федерации
Федеральное агентство по образованию
САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ
ЛЕСОТЕХНИЧЕСКАЯ АКАДЕМИЯ имени С. М. Кирова
В.А. ВТЮРИН, кандидат технических наук, доцент
АВТОМАТИЗИРОВАННЫЕ
СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ ПРОЦЕССАМИ
ОСНОВЫ АСУТП
Учебное пособие для студентов специальности 220301
«Автоматизация технологических процессов и производств» (по отраслям)
Санкт-Петербург 2006

4
Введение
Для технологических объектов отрасли, как объектов автоматизации, характерными являются следующие особенности: наличие разнородных функциональных задач, возникающих при автоматизации; сравнительно высокий уровень автоматизации существующих ТОУ; повышение актуальности задач оптимизации и др. Управлять подобными объектами невозможно без современных средств автоматизации и вычислительной техники, без высокоэффективных автоматизированных систем управления технологическими процессами (АСУТП).
АСУТП относятся к классу сложных систем, которым присущи следующие черты: наличие у всех элементов общей цели; системный характер реализуемых алгоритмов обмена и обработки информации; большое число входящих в систему функциональных подсистем.
Современный этап развития
АСУТП характеризуется применением индустриальных технологий создания и внедрения
АСУТП на базе серийно выпускаемых промышленных контроллеров, совместимых с персональными компьютерами и мощных программно-техничесих комплексов (ПТК) поддержки программирования АСУТП – SCADA систем, а также развития и стандартизации сетевых технологий.
Построение АСУТП на основе концепции открытых систем позволяет аппаратно-программные средства различных производителей совмещать снизу доверху и обеспечивать проверку всей системы. При таком подходе значительно уменьшается общая стоимость системы в результате применения более дешевого оборудования (при аналогичных функциональных характеристиках), частичной и поэтапной замене имеющихся на предприятии аппаратно-программных средств или даже сохранении некоторого старого оборудования.
Важнейшими свойствами открытых систем являются: мобильность прикладных программ; мобильность персонала; четкие условия взаимодействия частей системы с использованием открытых спецификаций.
В первой главе даются основные понятия и определения
АСУТП, ТОУ, АТК, функций АСУТП, критерия управления, состава АСУТП и классификационных признаков АСУТП.
Вторая глава знакомит с основными понятиями сетевой терминологии. Дается определение сети и ее виды: локальные, распределенные, коммуникационные, информационные. Знакомит с архитектурой сети.

5
В главах 3….7 рассматриваются АСУТП и построение их на базе концепции открытых систем, в основе которых лежит семиуровневая модель.
Дается описание этих уровней.
Рассматриваются различные топологии сетей и их выбор, приводятся основные аппаратные и программные компоненты, рассказывается о работе протоколов и сетевой архитектуре Ethernet.
Современные локальные сети должны отвечать определенным требованиям, описание которых предлагается в главе 8.
Глава 9 знакомит с функциональными задачами АСУТП.
Излагается алгоритмическое обеспечение основных задач АСУТП.
В 10 главе рассматриваются различные архитектуры АСУТП: централизованная, распределенная, клиент-сервер,
Citect, масштабируемая, многоуровневая, с отдельными серверами.
Программируемые логические контроллеры (ПЛК) являются одними из современных основных средств автоматизации. Их место в АСУ, структура, операционная система, классификация и выбор рассматриваются в главах 11 и 12.
Важное значение для АСУТП имеет противоаварийная защита
(ПАЗ). В главе 13 обосновывается необходимость применения ПАЗ в АСУТП. Рассматриваются системы безопасности в гибких производствах и ПАЗ в АСУТП. Показаны пути повышения надежности системы ПАЗ.
I.ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ
1.1 Основные понятия и определения
1.2 Функции АСУТП
1.3 Состав АСУТП
1.4 Общие технические требования
1.5 Классификация АСУТП
Ключевые слова:
Технологический объект управления, автоматизированный технологический комплекс, автоматизированная система управления технологическим процессом, критерий управления, режимы управления, состав АСУТП, классификация.
1.1Основные понятия и определения.
Автоматизированная система управления технологическим процессом (АСУТП) предназначена для выработки и реализации управляющих воздействий на технологический объект управления.
Технологический объект управления (ТОУ) — это совокупность технологического оборудования и реализованного на нем по соответствующим инструкциям или регламентам технологического процесса производства.

6
К технологическим объектам управления относятся:
• технологические агрегаты и установки (группы станков), реализующие самостоятельный технологический процесс;
• отдельные производства
(цехи, участки) или производственный процесс всего промышленного предприятия, если управление этим производством носит в ос- новном технологический характер, т. е. заключается в реализации рациональных режимов работы взаимосвязанных агрегатов (участков, производств).
Совместно функционирующие ТОУ и управляющая им АСУТП образуют автоматизированный технологический комплекс (A T К).
Автоматизированная система управления технологическим процессом
- человеко-машинная система управления, обеспечивающая автоматизированный сбор и обработку информации, необходимой для оптимизации управления технологическим объектом в соответствии с принятым критерием.
Такое определение АСУТП подчеркивает наличие в ее составе современных автоматических средств сбора и обработки информации, в первую очередь средств вычислительной техники; роль человека в системе как субъекта труда, принимающего содержательное участие в выработке решений по управлению; реализацию в системе процесса обработки технологической и технико-экономической информации; цель функционирования
АСУТП, заключающуюся в оптимизации работы технологического объекта управления по принятому критерию (критериям) управления путем соответствующего выбора управляющих воздействий.
Критерий управления
АСУТП
— это соотношение, характеризующее качество функционирования технологического объекта управления в целом и принимающее конкретные числовые значения в зависимости от используемых управляющих воздействий. Таким образом, критерием управления обычно является технико-экономический показатель
(например, себестоимость выходного продукта при заданном его качестве, производительность ТОУ при заданном качестве выходного продукта и т. п.) или технический показатель (например, параметры процесса, характеристики выходного продукта).
Система управления ТОУ является АСУТП в том случае, если она осуществляет управление ТОУ в целом в темпе протекания технологического процесса и если в выработке и реализации решений по управлению, участвуют средства вычислительной техники и другие технические средства и человек-оператор.
АСУТП в системе управления промышленным предприятием.

7
АСУТП как компоненты общей системы управления промышленным предприятием предназначены для целенаправленного ведения технологических процессов и обеспечения смежных и вышестоящих систем управления оперативной и достоверной технико-экономической информацией.
АСУТП, созданные для объектов основного и вспомогательного производства, представляют собой низовой уровень автоматизированных систем управления на предприятии.
АСУТП могут использоваться для управления отдельными производствами, включающими в свой состав взаимосвязанные
ТОУ.
АСУТП производства обеспечивает оптимальное
(рациональное) управление как всеми АТК и ТОУ, так и вспомогательными процессами (приемкой, транспортировкой, складированием входных материалов, заготовок и готовой продукции и т. д.), входящими в состав данного производства.
Организация взаимодействия АСУТП с системами управления высших уровней определяется наличием на промышленном предприятии автоматизированной системы управления предприятием
(АСУП) и автоматизированных систем организационно-технологического управления (АСОУТ).
АСУТП получает от соответствующих подсистем АСУП или служб управления предприятием непосредственно или через
АСУОТ задания и ограничения (номенклатуру подлежащих выпуску продуктов или изделий, объемы производства, технико- экономические показатели, характеризующие качество функционирования АТК, сведения о наличии ресурсов) и обеспечивает подготовку и передачу этим системам необходимой для их работы технико-экономической информации, в частности о выполнении заданий, продукции, оперативной потребности в ресурсах, состоянии АТК (состоянии оборудования, ходе технологического процесса, его технико-экономических показателях и т. п.).
При наличии на предприятии систем технической и (или) технологической подготовки производства обеспечивается взаимодействие АСУТП с этими системами. АСУТП получают от них техническую, технологическую и другую информацию, необходимую для проведения заданных технологических процессов, и направляют в эти системы фактическую оперативную информацию, необходимую для их функционирования, в том числе для корректировок регламентов проведения технологических процессов.

8
При создании на предприятии комплексной системы управления качеством продукции
АСУТП являются ее исполнительными подсистемами, обеспечивающими заданное качество продукции ТОУ и подготовку фактической оперативной информации о ходе технологических процессов (статистический контроль и т.д.).
Перечень, форма представления и режим обмена информацией между АСУТП и взаимосвязанными с ней другими системами управления
(как автоматизированными, так и неавтоматизированными) определяются в каждом конкретном случае в зависимости от специфики производства, его организации и принятой структуры управления им.
1.2Функции АСУТП.
При создании АСУТП должны быть определены конкретные цели функционирования системы и ее назначение в общей структуре управления предприятием. Такими целями, например, могут быть:
• экономия топлива, сырья, материалов и других производственных ресурсов;
• обеспечение безопасности функционирования объекта;
• повышение качества выходного продукта (изделия) или обеспечение заданных значений параметров выходных продуктов (изделий);
• снижение затрат живого труда; достижение оптимальной загрузки (использования) оборудования;
• оптимизация режимов работы технологического оборудования
(в том числе, маршрутов обработки в дискретных производствах) и т. д.
Функция АСУТП — это совокупность действий системы, направленных на достижение частной цели управления.
Совокупность действий системы представляет собой определенную и описанную в эксплуатационной документации последовательность операций и процедур, выполняемых частями системы. Следует отличать функции АСУТП в целом от функций, выполняемых всем комплексом технических средств системы или его отдельными устройствами.
Функции
АСУТП подразделяются на управляющие, информационные и вспомогательные.
Управляющая функция АСУТП — это функция, результатом которой являются выработка и реализация управляющих воздействий на технологический объект управления.
К управляющим функциям АСУТП относятся:

9
• регулирование (стабилизация) отдельных технологических переменных;
• однотактное логическое управление операциями или аппаратами;
• программное логическое управление группой оборудования;
• оптимальное управление установившимися или переходными технологическими режимами или отдельными участками процесса;
• адаптивное управление объектом в целом (например, самонастраивающимся комплексно-автоматизированным участком станков с числовым программным управлением).
Информационная функция АСУТП — это функция системы, содержанием которой являются сбор, обработка и представление информация о состоянии АТК оперативному персоналу или передача этой информации для последующей обработки.
К информационным функциям АСУТП относятся:
• централизованный контроль и измерение технологических параметров;
• косвенное измерение (вычисление) параметров процесса
(технико-экономических показателей, внутренних переменных);
• формирование и выдача данных оперативному персоналу
АСУТП или (АТК);
• подготовка и передача информации в смежные системы управления;
• обобщенная оценка и прогноз состояния АТК и его оборудования.
Отличительная особенность управляющих и информационных функций АСУТП их направленность на конкретного потребителя
(объект управления, оперативный персонал, смежные системы управления).
Вспомогательные функции АСУТП - это функции, обеспечивающие решение внутрисистемных задач.
Вспомогательные функции не имеют потребителя вне системы и обеспечивают функционирование АСУТП (функционирование технических средств системы, контроль за их состоянием, хранением информации и т. п.).
В зависимости от степени участия людей в выполнении функций системы различаются два режима реализации функций: автоматизированный и автоматический.
Автоматизированный режим реализации управляющих функций характеризуется участием человека в выработке (принятии)

10
решений и (или) их реализации. При этом возможны следующие варианты:
• ручной режим, при котором комплекс технических средств представляет оперативному персоналу контрольно- измерительную информацию о состоянии ТОУ, а выбор и осуществление управляющих воздействий производит человек-оператор;
• режим «советчика», при котором комплекс технических средств вырабатывает рекомендации по управлению, а решение об их использовании принимается и реализуется оперативным персоналом;
• диалоговый режим, при котором оперативный персонал имеет возможность корректировать постановку и условия задачи, решаемой комплексом технических средств системы при выработке рекомендаций по управлению объектом.
Автоматический режим реализации управляющих функций предусматривает автоматическую выработку и реализацию управляющих воздействий. При этом различаются:
• режим косвенного управления, когда средства вычислительной техники автоматически изменяют уставки и
(или) параметры настройки локальных систем автоматического управления (регулирования);
• режим прямого (непосредственного) цифрового (или аналого- цифрового) управления, когда управляющее вычислительное устройство формирует воздействие на исполнительные механизмы.
Автоматизированный режим реализации
АСУТП информационных функций АСУТП предусматривает участие людей в операциях по получению и обработке информации.
В автоматическом режиме все необходимые процедуры обработки информации реализуются без участия человека.
АСУТП представляют собой системы управления, качественно отличные от систем автоматического регулирования (САР), предназначенных для стабилизации режимов процессов и агрегатов.

11
На рис. 1.1 приведены структуры САР и АСУТП. Системы автоматического регулирования, как правило, представляют собой замкнутые системы управления, функционирующие без участия человека.
Рис. 1.1 Сравнение промышленных систем автоматизации
Основная цель САР - оптимальная отработка задания, обеспечивающего стабилизацию требуемой физической величины или технологического параметра. При этом значение задания считается известным и может быть как постоянным, так и изменяющимся по заранее известному закону.
Структура АСУТП, в отличие от САР, предполагает непременное участие человека – оператора в принятии решений по управлению объектом. Структура АСУТП обязательно включает контур формирования оператором управляющих воздействий, поскольку цель АСУТП – реализация оптимального режима работы объекта.
Критериями оптимальности технологических режимов, как правило, являются технико-экономические показатели (к.п.д., удельные расходы сырья, энергии, топлива, себестоимость продукции), которые обычно не могут быть непосредственно измерены, а получаются в результате соответствующих вычислительных процедур

12 1.3 Состав АСУТП.
Для выполнения функций АСУТП необходимо взаимодействие следующих ее составных частей:
• технического обеспечения (ТО);
• программного обеспечения (ПО);
• информационного обеспечения (ИО);
• организационного обеспечения (ОО);
• оперативного персонала (ОП).
Техническое обеспечение АСУТП представляет собой полную совокупность технических средств, достаточную для функционирования АСУТП и реализации системой всех ее функций.
В состав комплекса технических средств (КТС АСУТП) входят вычислительные и управляющие устройства; средства получения
(датчики), преобразования, хранения, отображения и регистрации информации (сигналов); устройства передачи сигналов и исполнительные устройства.
Программное обеспечение АСУТП — совокупность программ, необходимая для реализации функций АСУТП, заданного функционирования комплекса технических средств АСУТП и предполагаемого развития системы.
Программное обеспечение АСУТП подразделяется на общее
ПО и специальное программное обеспечение.
Общее программное обеспечение АСУТП поставляется в комплекте со средствами вычислительной техники. К общему программному обеспечению АСУТП относятся необходимые в процессе функционирования и развития системы программы, программы для автоматизации разработки программ, компоновки программного обеспечения, организации функционирования вычислительного комплекса и другие служебные и стандартные программы (организующие программы, транслирующие программы, библиотеки стандартных программ и др.).
Специальное программное обеспечение
АСУТП разрабатывается или заимствуется из соответствующих фондов при создании конкретной системы и включает программы реализации основных (управляющих и информационных) и вспомогательных
(обеспечение заданного функционирования КТС системы, проверка правильности ввода информации, контроль за работой КТС системы и т. п.) функций АСУТП.
Специальное программное обеспечение
АСУТП разрабатывается на базе и с использованием программ общего программного обеспечения.