В. А. Михеев. Автоматизация процессов ОМД
1 МИНОБРНАУКИ РОССИИ ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «САМАРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АЭРОКОСМИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМЕНИ АКАДЕМИКА С.П. КОРОЛЕВА (НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)» В. А. Михеев Автоматизация процессов ОМД Электронное учебное пособие САМАРА 2012
2 Автор: Михеев Владимир Александрович Рецензенты: Иголкин А. А., доцент кафедры автоматических систем энергетических установок; Тихонов С. В., директор Камоцци Пневматика ООО Филиал (Самара). Михеев, В. А. Автоматизация процессов ОМД [Электронный ресурс] : электрон. учеб. пособие/ В. А. Михеев; Минобрнауки России, Самар. гос. аэрокосм. ун-т им. С. П. Королева (нац. исслед. ун-т). — Электрон. текстовые и граф. дан. (3,72 Мбайт). — Самара, эл. опт. диск (CD-ROM). Рассмотрены общие подходы и методы автоматизации технологических процессов. Приведены принципы построения автоматизированных систем управления технологическими процессами применительно к металлургическому производству. Рассмотрены системы логического управления и принципы построения локальных вычислительных сетей. Среди объектов управления выделены два основных класса. Приведены технические средства автоматизации и управления, мультимикропроцессорные и микрокомпьютерные средства, контроллеры и программно-технические комплексы отечественных и зарубежных производителей, используемых в системах управления технологическими процессами, системах диспетчерского управления и сбора данных. Учебное пособие предназначено для подготовки бакалавров по направлению «Металлургия», бакалаврская программа «Обработка металлов давлением» по дисциплине «Автоматизация процессов ОМД» в 7 семестре на кафедре ОМД. Учебное пособие разработано на кафедре технологии металлов и авиационного материаловедения. Самарский государственный аэрокосмический университет,
3 Содержание ВВЕДЕНИЕ Современные взгляды и подходы к автоматизации технологических процессов металлургического производства Основание для автоматизации технологических процессов Системы автоматизации технологических процессов Задачи системы управления технологическими процессами Вопросы для самоконтроля Методы управления различными объектами Управление стационарными объектами. Стабилизация и оптимизация Программное управление и нестационарные объекты Технологический процесс металлургического производства как объект автоматизации Вопросы для самоконтроля Автоматизированные технологические комплексы Управляющие системы технологического оборудования, классификация и принципы построения Типовая структура автоматизированных технологических комплексов Системы управления технологическим оборудованием и агрегатами Программное обеспечение систем управления Вопросы для самоконтроля Характеристика систем автоматического контроля Основные типы автоматических систем Системы автоматического контроля. Контролируемые параметры Технические средства контроля параметров Вопросы для самоконтроля Основные принципы и технические средства управления Системы автоматического управления Технические средства управления Основные принципы управления Схемы включения управляющей ЭВМ в систему управления Вопросы для самоконтроля Системы автоматического управления как синтез регуляторов Системы автоматического регулирования. Принципы регулирования Устойчивость систем автоматического регулирования. Характеристики звеньев САР Вопросы для самоконтроля Управляющие технологические комплексы металлургического производства Управляющие вычислительные комплексы, оборудование систем управления
4 7.1.1 Архитектура мультимикропроцессорных и микрокомпьютерных средств Принципы построения ЛВС для автоматизированных производств Характеристики компонентов ЛВС для автоматизированных производств Программное обеспечение управляющих вычислительных комплексов Программное обеспечение управляющих вычислительных комплексов распределенная система обработки информации, выполненная на основе ЛВС Уровни взаимодействия процессов в ЛВС Механизмы взаимодействия и синхронизации прикладных процессов в ПО УВК Административное управление и управление обработкой информации в PC. Операционная система высокого уровня Основные проблемы развития ПО УВК автоматизированного производства Вопросы для самоконтроля Мультимикропроцессорные и микрокомпьютерные средства систем управления Применение микропроцессорной техники в автоматизации технологических процессов Комплекс технических средств многоуровневой системы управления Основные технические характеристики контроллеров и программно-технических комплексов Характеристика каналов ввода/вывода контроллеров Коммуникационные возможности контроллеров Эксплуатационные характеристики Программное обеспечение Новые технологии в производстве контроллеров Вопросы для самоконтроля Диспетчерское управление технологическим оборудованием и агрегатами АСУТП и диспетчерское управление Определение и общая структура SCADА Функциональная структура SCADА Особенности SCADA как процесса управления Вопросы для самоконтроля Аппаратные программные средства SCADA-систем Основные требования и возможности SCADA-систем Тенденции развития аппаратных и программных средств SCADA-систем SCADA-продукты на российском рынке Интегрированный пакет комплексной автоматизации Factory Suite SCADA-система In Touch SCADA-система Cited SCADA-системы FIX и ifix SCADA-система SIMATIC WinCC SCADA-системаTRACE MODE SCADA-система LabVIEW
5 Вопросы для самоконтроля Библиографический список
6 ВВЕДЕНИЕ Автоматизация технологических процессов металлургического производства выдвигает на первое место решения ряда важнейших проблем. Чаще всего металлургическое оборудование и агрегаты являются сложными объектами управления, которые могут быть представлены как многомерные объекты с большим числом входных и выходных параметров, а также объекты со сложными взаимосвязями в технологическом комплексе и наличием взаимосвязанных технологических процессов. Это требует системного подхода, учета дополнительно возникающих связей и перераспределения требований к каждому объекту технологического комплекса с подчинением их общим требованиям к выходным характеристикам готовой продукции. Необходимо отметить еще одну особенность металлургических процессов, вызванную существенной нестационарностью технологических процессов и физически объясняемую, в основном, явлениями старения и износа оборудования. При создании систем управления технологическими процессами металлургического производства как сложными объектами управления должно комплексно решаться большое количество задач. Комплексный подход требует решения не только задач управления ходом самого технологического процесса, но и задач оперативного управления, управления запасами, ремонтами, контроля качества и др. Эти задачи взаимосвязаны и определяют эффективность, надежность и другие, очень важные показатели применения автоматизированных технологических комплексов. Рассматривая технологический процесс как объект автоматического управления, необходимо знать его основные выходные характеристики и управляемые параметры, через которые можно активно воздействовать на технологический процесс. При этом выходные характеристики можно разделить на выходные показатели ведения процесса и выходные показатели готовой продукции. Первые характеризуют технический уровень оборудования и агрегатов, а вторые оцениваются с позиций потребителя готовой продукции. Эффективность воздействия на технологический процесс определяется степенью совершенства конструкции оборудования и агрегатов, электрооборудованием нагревательных средств и механизмов, которым придаются дополнительные функции. С развитием средств вычислительной техники на металлургических предприятиях нашли применение системы автоматического контроля и управления, основное назначение которых заключается в улучшении управления технологическими процессами. На основе управляющих микро ЭВМ в настоящее время строятся децентрализованные автоматизированные системы. Таким образом, могут формироваться разнообразные многоуровневые системы, структуры которых выбираются, исходя из особенностей объектов управления. Кроме того, децентрализованные системы можно вводить в эксплуатацию по частям, в них могут быть использованы общие резервные блоки, что обеспечивает надежность работы вычислительных систем. Однако сфера применения микро ЭВМ не ограничивается только децентрализованными автоматизированными системами. В современном комплексноавтоматизированном производстве системы управления представляют собой единую интегрированную систему управления всеми уровнями производства. В учебном пособии рассмотрена типовая архитектура мультимикропроцессорных и микрокомпьютерных средств и принципы построения локальных вычислительных сетей. Особенно уделено внимание программному обеспечению автоматизированных систем управления. 6
7 1 Современные взгляды и подходы к автоматизации технологических процессов металлургического производства 1.1 Основание для автоматизации технологических процессов Стратегия развития современного производства предполагает существенное повышение уровня автоматизации, прежде всего, технологических процессов, при реализации которых исходное сырье, материалы и полуфабрикаты превращаются в законченную продукцию (изделия). На первых порах технологическими процессами полностью управлялся человек. Однако по мере усложнения технологических процессов, особенно в металлургии за счет увеличения объемов производства, применения плавильных агрегатов большой мощности и новых прокатных станов, а также внедрение прогрессивных разработок в технологии, возможности человека становились ограничивающим фактором. В металлургии давно ищут переходы к непрерывному потоку, который значительно легче поддается автоматизации. Автоматизация- это применение в производстве технических средств, методов и систем управления, освобождающих человека от непосредственного участия в производстве. Целью автоматизации заключается в повышении производительности и эффективности труда, улучшение качества продукции и условий трудовой деятельности человека. Автоматизируются процессы обработки материалов и заготовок, энергетические, транспортные и другие технологические процессы, а также процессы проектирования, планирования и управления производством, научные исследования, диагностирование и программирование оборудования, инженерные расчеты и т.д. Автоматизация технологических процессов неизменно связана с созданием различных систем управления и контроля, которые и выполняют функции управления и контроля, заменяя человека. Человек, обладая разумом, знаниями, навыками и опытом, способен создавать машины, которые будут выполнять за него эту работу, причем не только физическую, но и умственную. Особенно важно, в первую очередь, освобождение человека от непосредственного участия в процессах именно материального производства, т.е. в технологических процессах. Это направление автоматизации, т. е. автоматизацию технологических процессов, мы и будем рассматривать. Однако в последнее время выросла доля нематериального производства, связанного с умственной деятельностью человека. Поэтому под продукцией можно понимать все то, что изготавливается, перемещается и создается. Это материалы, полуфабрикаты, изделия, энергия, математические модели, компьютерные программы и многое другое, что является результатом трудовой деятельности человека. Повышение эффективности любого человеческого труда и обеспечивает автоматизация. Очевидно, что автоматизация технологических процессов представляет собой создание технологий с минимальным участием человека, точнее включают комплекс мероприятий, направленных на сокращении числа работающих, повышение эффективности процессов, повышение качества продукции и улучшение условий труда. Технологические процессы реализуются с помощью оборудования, которое тоже называется технологическим. Для того, чтобы процесс протекал так, как запланировано, этим оборудованием надо управлять, т.е. действовать на нем по определенным правилам. Совокупность технологического оборудования, выполняющие рабочие операции технологического процесса (ТП), является объектом управления. Таким объектом может быть прокатный стан, металлургический агрегат, участок горячей штамповки, плавильный комплекс, штамповочный центр, многопозиционный пресс и т.д. 7
8 Любой технологический процесс организуется для достижения какой-то цели, получение полуфабрикатов и конечной продукции. Для обеспечения высокого качества полуфабрикатов и продукции необходимо контролировать как ход самого ТП, так и работу технологического оборудования, т.е. управлять им. Это можно сделать, только собрав о них всестороннюю информацию. Любое управление строится на основе анализа информации о техническом состоянии технологического оборудования. Полученная информация сопоставляется с целями управления и по результатам сопоставления формируется управляющее воздействие. Протекание ТП и техническое состояние оборудования в каждый момент времени характеризуется различными физическими величинами: усилием, давлением, температурой, перемещением, скоростью, ускорением, расходом жидкости и газа, электрическим напряжением, силой тока и т. д. Эти величины называются технологическими параметрами, которые в ходе ТП и работы оборудования непрерывно меняются. Уровень и качество автоматического контроля, регулирования и сигнализации определяет точность и надежность измерительных приборов. Для осуществления контроля оператор, ведущий ТП, должен получать сведения о значении технологических параметров и об их изменении в удобном для него виде, т.е. необходимое обобщение, анализ и прогноз. Таким образом, контроль ТП включает в себя сбор, обработку, анализ и выдачу оператору информации о ходе ТП и работы оборудования. Для этого широко применяют компьютеры, что подняло уровень автоматизации технологических процессов на новую, более высокую ступень. Кроме того система управления технологическими процессами в основном базируется на новой элементной базе, содержащей электронные, электрические, электромеханические, магнитные, пневматические и гидравлические устройства. В последнее время более интенсивное развитие получили электронные устройства автоматики. Другими словами, наряду с широким применением компьютеров применение получило оборудование с программным управлением, которое является исполнительным органом вычислительной техники. Полученная в процессе контроля информация используется для воздействия на технологическое оборудование в виде команды с целью обеспечения протекания ТП в полном соответствии с запланированным его ходом, т.е. для управления технологическим процессом. Так как автоматизация технологического процесса перекладывает участие человека в осуществлении ТП на плечи технических средств, то необходимо «научить» их осуществлению ТП. Для этого человек сначала должен тщательно изучить ТП, осознать достижение определенной цели, что именно должно получиться в результате выполнения ТП, представить каждую операцию или действие, условия их проведения и наконец, подробно описать последовательность выполнения действий. Эта последовательность выполнения действий, ведущая к достижению определенной цели, называется алгоритмом управления. При составлении алгоритма сложные действия разбиваются на более простые действия, вплоть до элементарных движений [2,3]. Такая детализация позволяет самое сложное действие представить как совокупность более простых действий, а выполнение самых простых действий можно поручить машине, то это будет прямой путь к автоматизации технологического процесса. Здесь под понятием «машина» в широком смысле используется как техническое средство, способное выполнять за человека большое количество самых разных действий. Причем машина может выполнять не только физические действия или элементарные движения (перемещать предмет обработки в пространстве, как транспортер или обрабатывать заготовку за счет движения силового органа ротационно-ковочной машины), но и анализировать, вычислять, оценивать, принимать решение и т.д. Все эти функции машинам дает человек. Однако машины в отличие от человека не обладает разумом *1, но они способны выполнять элементарные движения, точно соответствующие полученным командам [12]. Распознать команду машина сможет только 8
9 в том случае, если команда однозначна и ее различное толкование невозможно. Поэтому для машины каждая команда должна быть записана на понятном машине языке. Алгоритм управления, записанный на понятном машине языке, называется управляющей программой. Таким образом, автоматизация технологических процессов это применение технических средств, методов и систем управления для сбора, обработки, анализа и выдачи информации. Развитие средств вычислительной техники позволило создать программные средства, которые не только поддерживают вычислительный процесс, но и могут на базе предварительно разработанных алгоритмов осуществить в реальном времени управление требуемым объектом. Это привело к возникновению автоматического управления объектом, в котором человек выполняет функцию оператора, не внося в процесс управления творческого начала, а лишь исполняя требования инструкций [5]. Замена человека в операциях управления называют автоматизацией управления, а технические средства, выполняющие операции управления, — автоматическими устройствами или средствами управления. Совокупность средств управления и объекта управления называют системой управления (СУ). Важнейшими элементами СУ являются датчики, формирующие на выходе электрические сигналы. Они предназначены для получения количественной информации о подлежащих измерению приведенных выше различных физических величин, характеризующих протекание ТП и техническое состояние оборудования в каждый момент времени. Иначе говоря, автоматизация технологических процессов — это преобразование неэлектрических параметров в электрические сигналы, регистрация технологических параметров, передача информации, принятие решения и управление состоянием объекта управления [14]. *1 Информационное примечание автора: «От механики к мехатронике» — такова ведущая тенденция развития современного машиностроения. Эта тенденция особенно отчетливо проявляется при создании интеллектуальных машин и движущихся робототехнических систем, которые обладают качественно новыми функциями и свойствами. Именно новизна нового поколения машин вызывает быстро растущий интерес к мехатронным методам и технологиям в мире. Поэтому основной акцент делается на системных проблемах мехатроники, исследуются подходы и методы интеграции механических, электронных и компьютерных элементов в единые модули и системы. Органическое сочетание в едином мехатронном устройстве столь различных по своей физической природе составляющих является сложной творческой задачей. Обратимся к определению мехатроники, которое уже утверждено в действующем Государственном образовательном стандарте РФ по направлению «Мехатроника и робототехника»: «Мехатроника эта область науки и техники, основанная на синергетическом объединении узлов точной механики с электронными, электротехническими и компьютерными компонентами, обеспечивающая проектирование и производство качественно новых модулей, систем и машин с интеллектуальным управлением их функциональными движениями». Мехатронный метод объединения механики, электроники и компьютерной техники в машинах нового поколения придал им качественные новые свойства по скорости и точности движений, кинематическим способностям и компактности. Такие объединенные устройства называются мехатронными модулями. Их использование целесообразно в широко распространенных механизмах, т.к. появляется возможность унификации модулей. К таким модулям относятся электрошпиндели станков, моторколеса электротранспорных средств, приводные модули звеньев промышленных манипуляторов, мотор-барабаны тяговых лебедок и т.д. Именно применение мехатронных идей позволило создать интеллектуальные машины для выполнения принципиально новых функций, столь нужным сегодня человеку. 9
10 Научно-техническая проблема создания машин с искусственным интеллектом является сегодня одним их перспективным направлением развития автоматизации. Создание машин нового поколения, способных автономно функционировать в непредсказуемых условиях внешней среды, потребовало принципиально новых подходов к управлению движениями. Эти методы и системы образовали класс интеллектуальных систем автоматического управления. Для контроля величин технологических параметров необходимо вести измерения непрерывно. Результаты измерений сравниваются с требуемыми значениями контролируемого параметра (уставки), а если имеются отклонения, то подается сигнал об отклонении. Отклонения могут быть положительными или отрицательными, уменьшения или повышения и т.п. По отклонениям принимается решение и подается управляющее воздействие на объект управления в виде сигнала. В процессе принятия решения могут участвовать человек (оператор) или устройство * 2. Объектами управления могут быть технологическое оборудование, отдельные параметры технологического процесса, различные двигатели и т.д. Чаще всего управление осуществляется на принципе «по отклонению», т.е. управляющее воздействие (УВ) является функцией отклонения регулируемой величины от требуемого значения. Техническое устройство, реализующее УВ в зависимости от величины отклонения, называется регулятором или автоматическим регулятором. В дальнейшем, помимо «управления по отклонению» стал применяться принцип «управления по возмущению» и стали чаще использовать термины «автоматическое управление» и «автоматическое управление и регулирование». Этой терминологии мы и будем придерживаться [4, 5, 10]. *2 Информационное примечание автора: Управление это формирование такой организации процесса, которая обеспечивает заданный характер его протекания. Другими словами, управление это последовательность действий, которое следует предпринять для достижения указанной цели. Сначала нужно разработать план действий, затем записать (результат записи будет алгоритм) и выполнить. Результатом выполнения является последовательность операций технологического процесса. Если технологический процесс выполняет человек, то ему понятно, как обеспечить выполнение последовательности действий, предусмотренной алгоритмом. Для выполнения этих действий машиной нужно обеспечить понимание ею алгоритма как последовательность команд, ведущих к достижению цели. Человеку достаточно увидеть алгоритм в словесной или графической форме, чтобы реализовать технологический процесс. Машина увидеть алгоритм не может. Даже, если он записан на алгоритмическом языке, прочитать его команды машине не в силах. Следовательно, при машинном исполнении алгоритма между ним и технологическим процессом должен быть некий посредник, который и обеспечит понимание машиной команд алгоритма. Другими словами, нужен некий переводчик, умеющий переводить команды в такие воздействия, которые заставят ее выполнить нужные действия в соответствии с алгоритмом. Функции, которые предстоит выполнить этому переводчику, называется устройством управления или управляющее устройство (УУ). Человек, которой управляет автоматизированной системой, принято называть оператором. В автоматических системах управляющие воздействия (УВ) формирует УУ. Любая машина, используемая в качестве объекта управления (ОУ), обычно способна выполнить одно действие за другим, а также выполнить одно и то же действие многократно. Последовательность действий, а в нашем случае операций это уже и есть технологический процесс. Поэтому между управлением машинами и процессом существенной разницы нет. 10
11 Управление технологическим процессом это управление последовательностью операций, т.е. формирование УУ на машины, которые эти операции и выполняет. При этом воздействовать на машины может как оператор, так и управляющее устройство. 1.2 Системы автоматизации технологических процессов Любая система представляет собой совокупность находящихся во взаимной связи частей этой системы. *3 Мы рассматриваем системы, способные осуществить автоматизацию технологических процессов [1,8]. Другими словами собирать, обрабатывать и анализировать информацию, характеризующую состояние ТП, выводить ее оператору, а также через оператора или самостоятельно осуществлять управляющие воздействия на ТП. Очевидно, это должен быть набор технических средств, взаимодействие которых должно происходить по определенным законам так, чтобы обеспечить запланированное протекание технологического процесса. Такую систему называют автоматизированной, или автоматической системой управления технологическим процессом. Автоматизированная (автоматическая) система управления технологическими процессами (АСУ ТП — это совокупность технических средств и методов сбора, обработки, анализа и выдачи информации и воздействия на ТП, которые во взаимодействии с человеком и (или) между собой обеспечивают запланированное протекание технологического процесса. Различие между автоматизированной и автоматической системой управления связано с распределением задач между человеком и техническими средствами [1, 10]. Если принятие и реализация решения о воздействии на ТП по результатам анализа информации о технологических параметрах производится человеком, то такая система управления называется автоматизированной (рисунок 1а). В такой системе человек получает информацию о технологических параметрах и результаты ее анализа в виде сообщений, таблиц и графиков на экране дисплея и через другие средства аудиовизуального представления информации. Часто система рассчитывает на основе этих данных рекомендуемые значения управляющих воздействий на ТП, однако решение вопроса об использовании этих рекомендаций остается за человеком. Однако иногда человек может стать источником ограничений, он не может принять быстрого решения, а иногда может принять неправильное решение. Рисунок 1.1 Автоматизированная (а) и автоматическая (б) системы управления 11
12 С другой стороны, включение человека в систему управления ТП позволяет избежать аварийных ситуаций при выходе из строя каких-либо элементов системы управления, т.к. человек может выбрать и принять необходимое решение и продолжить технологический процесс даже при отсутствии части информации. Другими словами на помощь приходят опыт, квалификация и интуиция. Например, выход из строя датчика температуры в системе аварийной защиты, отключающей технологическое оборудование, может быть воспринят человеком (оператором) как информация к размышлению. Оценив ситуацию, он может и не прерывать процесс, если остальные параметры находятся в норме. Если система управления по результатам анализа информации сама принимает и реализует решение о воздействии на ТП, то такая система называется автоматической (рисунок 1б). Такая система управления соединена с объектом управления не только на входе, где она получает информацию от датчиков о технологических параметрах, но и на выходе, где она создает УВ на объект управления. Человек не принимает непосредственного участия в управлении и является лишь наблюдателем, готовым вмешаться в аварийных ситуациях. Однако в автоматических системах управления всегда есть программы отработки аварийных ситуаций. Но интеллект человека, с одной стороны, всегда выше интеллекта машины и он может предвидеть развитие событий, не доступное машинному анализу. С другой стороны, скорость реагирования системы на аварийную ситуацию может быть намного выше скорости реакции человека. *3 Информационное примечание автора: В настоящее время нет единства в определении понятия «система». В первых определениях в той или иной форме говорилось о тои, что система это элементы и связи (отношения) между ними. Например, основоположник теории систем Людвиг фон Берталанфи определяет систему как комплекс взаимодействующих элементов или как совокупность элементов, находящихся в определенных отношениях друг с другом и со средой. Позднее в определениях системы появилось понятие цели. Другими словами, система определяется как совокупность элементов. Находящихся в отношениях и связях между собой определенным образов и образующих некоторое целостное единство. Система может быть разделена на элементы не сразу, а последовательным расчленением на подсистемы, которые представляют собой компоненты более крупные, чем элементы, и в то же время более детальные, чем система в целом. Возможность деления системы на подсистемы связана с вычленением совокупности взаимосвязанных элементов, способных выполнить относительно независимые функции, какую-то цель, направленные на достижение общей цели системы. Поэтому подсистема отличается от простой группы элементов, для которой не сформулирована цель и не выполняются свойства целостности. Для такой группы элементов используют название «компоненты». Структуру (строение) системы часто представляют в виде иерархии (многоступенчатости). Между уровнями иерархической структуры могут существовать взаимоотношения строгого подчинения компонентов нижележащего уровня одному из компонентов вышележащего уровня, т.е. отношения, так называемого древовидного порядка. Примером, иерархической структуры является технологический процесс. Современные технологические процессы это сложные иерархические структуры. Важную роль в системах играет понятие «обратная связь». Это понятие, легко иллюстрируется на примерах технических систем, не всегда можно применить в технологических системах и в других, более сложных системах. Исследованию этого понятия большое внимание уделялось в кибернетике. В кибернетике изучалась возможность перенесения механизмов обратной связи, характерных для объектов одной физической природы, на объекты другой природы. Обратная связь является основой 12
13 саморегулирования и развития систем, приспособления их к изменяющимся внешним условиям. При применении обратной для формирования УВ используется отклонения системы от заданного состояния. Если под действием обратной связи первоначальное отклонение состояния системы, вызванное возмущающими воздействиями внешней среды, уменьшается, то обратная связь отрицательная, а в противном случае положительная. Отрицательная обратная связь ослабляет действия возмущающих факторов, чем способствует восстановлению равновесия системы. Система способна накапливать и использовать информацию для достижения определенного состояния. Это свойство системы называется «адаптацией». Другими словами, адаптация это поведение системы при начальной неопределенности и изменяющихся внешних условиях. Это связано со спецификой управления сложной системы, которая состоит в том, что благодаря зашумленности и нестационарности информации, полученной на предыдущих этапах, приближенно отражает состояние системы в предыдущие моменты времени, что и вызывает необходимость коррекции. Такого рода коррекцию называют адаптацией системы, а управление адаптивным управлением. Как было сказано ранее, сбор, обработка и анализ информации о технологическом процессе и работе оборудования относится к сфере контроля. Рассматриваемое включение человека в систему управления происходит на этапе принятия решения по результатам анализа, т.е. уже по результатам контроля. Поэтому та часть технических средств системы управления, которая выполняет операции контроля, работая без вмешательства человека, может быть рассмотрена как отдельная система автоматического контроля (САК) [3, 7]. Когда говорят об автоматизированной или автоматической системе управления, всегда подразумевают наличие в ее составе САК. Кроме систем контроля и управления есть еще одна разновидность автоматических систем. Она связана с частным случаем управления, имеющим целью поддерживать постоянство или изменение по заданному закону какого-то одного технологического параметра. Эта разновидность управления называется регулированием, и реализует ее система автоматического регулирования (САР) или просто автоматический регулятор [15] * 4. Примером такой системы является холодильник. Здесь термореле срабатывает, когда температура в холодильной камере становится выше допустимой, и включается двигатель компрессора, который действует до тех пор, пока термореле не «обнаружит», что температура снизилась достаточно, и не отключит электропитание двигателя. Реальные АСУ ТП являются комбинированными, т.е. одни технологические параметры поддерживаются с помощью САР, другие отслеживаются техническими средствами самой АСУ, в состав которой входит и САК. Развитие средств вычислительной техники привело к созданию систем управления, где человек выполняет роль оператора. Дальнейшее развитие приведет к появлению замкнутых систем управления, где роль человека сводится к наблюдению. Следует заметить, что только с использованием в системах управления дешевых и производительных микро ЭВМ появилась реальная возможность построения гибких и интеллектуальных систем, которые могут осуществить изменение параметров, смену структуры и алгоритма управления. Это осуществляется за счет переключения на выполнение другого фрагмента управляющей программы, хранящейся в памяти ЭВМ [10, 23]. Обычно в состав автоматизированных систем входят САУ более низкого уровня, управляющие отдельными агрегатами сложной технологической цепи или линии. Здесь может входить множество автоматических регуляторов, поддерживающих, скажем, скорость, давление и температуру на заданных уровнях, и целый ряд автоматических устройств, осуществляющих защиту агрегатов от перегрузок или предназначенных для управления выведения этих агрегатов на рабочий режим и их останова. В состав такой системы обычно входят и устройства, осуществляющие оптимизацию режима работы и 13
14 называемые экстремальными регуляторами, например, минимизирующие расход электроэнергии. Однако основные параметры процесса задает с пульта оператор, наблюдающий за работой установки в целом. В состав такой современной системы входят и компьютеры, которые могут, как непосредственно управлять параметрами процесса, так и работать в режиме «советчика», вырабатывая рекомендации для оператора и оставляя за ним окончательное решение. *4 Информационное примечание автора: С целью регулирования и управления состоянием объектов управления разрабатывались различные регуляторы. Еще в 1765году Ползуновым впервые был изобретен регулятор уровня воды (известный до сих пор в быту в виде сливного бачка), затем в1785 году Уатт создал центробежный регулятор скорости вращения. Он применил этот регулятор для поддержания постоянства частоты вращения паровой машины. Если нагрузка паровой машины уменьшалась, то при неизменной подаче пара частота вращения вала резко и опасно возрастала. Регулятор Уатта состоял из двух тяжелых шаров на вертикальном валу, связанном с валом малом машины. Шары были стянуты между собой жесткой пружиной. При вращении вала центробежная сила, преодолевая жесткость пружины, поднимала шары, а с шарами была связана заслонка на паропроводе, снижающая доступ пара в машину. Жесткость пружины подбиралась так, что при номинальной нагрузке на валу частота вращения равнялась заданной. При увеличении частоты вращения из-за уменьшения нагрузки возросшая центробежная сила разводила шары. В результате заслонка уменьшала подачу пара, предотвращая большие отклонения частоты вращения от номинального значения. Регулятор Уатта является одним из первых регуляторов, работающих на принципе обратной связи по отклонению. Поскольку, именно отклонение скорости вращения машины от заданной изменяло угол наклона сдвига шаров, а тем самым и подачу пара на входе в цилиндры машины. Регуляторы с обратной связью являются основой автоматического управления до самого последнего времени. Для управления технологическими процессами до начала 60-х годов прошлого века, применялись в основном простейшие механические, пневматические или электрические регуляторы. Отсутствие более сложных систем управления объяснялось их высокой стоимостью, ограниченными возможностями технических средств и медленным развитием теории автоматического регулирования. Однако самые простейшие регуляторы хорошо зарекомендовали себя там, где объектов управления характерны большие постоянные времени, устойчивость в разомкнутом состоянии, подавление возмущений за счет перемешивания сырья. Это может быть около 80-ти процентов технологических процессов металлургического производства. Для остальных 20 процентов использование простейших регуляторов считалось менее эффективным, но все же допустимым. Еще не было жестких ограничений, связанных с охраной окружающей среды, качество продукции контролировалось слабо. За последнее время преобладают непрерывные технологические процессы большой мощности со сложными комплексами энергетических и материальных потоков и с жесткими требованиями к качеству продукции и вредным воздействием на окружающую среду. Такая предпосылка, связанная с появлением эффективных систем управления современными технологическими процессами, появилась только с использованием в системах регулирования дешевых и производительных микроконтроллеров и другой микропроцессорной техники. Все эти системы автоматики, как правило, связаны между собой, образуя множество контуров управления. В частности, устройства, ответственные за оптимизацию, задают уровни, на которых САР должны стабилизировать параметры процессов. В процессе работы объекта уставки могут также изменяться в соответствии с заданной программой 14
15 или по решению оператора. Таким образом, системы управления могут иметь сложную иерархическую структуру, включая в себя множество подсистем, каждая из которых является локальной САУ. При этом обычно система оказывается автоматизированной. На верхнем уровне находится оператор, в то время как отдельные подсистемы выполняют свои функции полностью автоматически (рисунок 2). Физическая реализация САУ зависит от множества факторов, таких, например, как стоимость, надежность, устойчивость и т.п. В частности, управляющая часть САУ или экстремальных регуляторов может быть частично или полностью реализована в виде компьютерных программ, установленных на том же компьютере, что вырабатывает рекомендации оператору и выполняет еще ряд дополнительных функций. Рисунок 1.2 Структура автоматизированной системы управления Объект управления и управляющее устройство далеко не всегда располагаются в непосредственной близости друг к другу. Когда расстояние между ними становиться столь велико, что требуется применение специальных средств связи для передачи УВ и информации о состоянии объекта, например, средства телемеханики и телеуправления. Не смотря на то, что существуют сложные и дорогие системы управления технологическими процессами, в производстве широко распространены более простые системы. 1.3 Задачи системы управления технологическими процессами Всякое управление имеет цель и всякое управление направлено на объект управления. При этом цель управления может быть одна и по своему характеру близка к экономическим задачам, чем к задачам управления технологическими объектами. В практических применениях цель это достижение требуемой надежности системы, требуемой эффективности ее применения, получение максимальной прибыли и т.д. Зато это ясно показывает проблему выбора цели управления или единственного критерия и определения совокупности ограничений. Выбор и формулировка критерия, а также выявление ограничений требует создания модели объекта управления* 5. Создание систем управления сложными технологическими процессами выдвигает ряд важных проблем. Особое место занимает проблема синтеза моделей управления взаимодействующих подсистем, необходимых для выбора и обоснования их оптимальных структур и параметров. При этом необходимо обеспечить этим подсистемам желаемые свойства и характеристики с точки зрения инженеров-проектировщиков. Кроме того в 15
16 каждом конкретном случае имеются специфические условия производства, которые могут выдвигать свои показатели, такие как: производительность технологического процесса, его надежность, вероятность отказа оборудования и среднее время простоев технологического комплекса и др. Среди объектов управления можно выделить два класса: объекты стационарные или непрерывного действия и объекты нестационарные периодического действия. К первому классу относятся многочисленные агрегаты, производящие материалы и полуфабрикаты. Чаще всего металлургические агрегаты являются сложными объектами, например: доменные печи, сталелитейные печи, прокатные станы и др. Их отличительная особенность с точки зрения управления это желательность или даже необходимость поддержания стабильного, неизменного режима работы, несмотря на возможные помехи и возмущения (изменение нагрузки, качества сырья, старение и износ оборудования и т.д.). Второй класс объектов это объекты, цель управления которыми может быть достигнута только в результате изменения их состояния относительно внешней среды. Понятно, что такое изменение может происходить за некий ограниченный интервал времени. Сюда относятся циклические технологические процессы, например, литье деталей, горячая штамповка на молотах и прессах и т.п. Таким образом, задачи управления этими двумя классами объектов в известном смысле являются противоположными. В первом случае стабилизация и неизменность состояния объекта. Во втором, наоборот, поиск УВ, изменяющих состояние объекта в соответствии с целью управления. В большинстве случаев объекты обоих классов нуждаются не только в управлении, а в управлении оптимальном или близком к оптимальному, т.е. наилучшем с точки зрения некоторого заданного критерия. Поэтому при создании систем управления технологическими процессами металлургии как сложными объектами управления комплексно решаются большое количество задач. Комплексный подход требует решения не только задач управления ходом технологического процесса, но и задач оперативного управления, управления запасами, ремонта, контроля количества и качества и др. Эти задачи взаимосвязаны и определяют экономическую эффективность, надежность и другие важные показатели применения АСУ ТП [1, 4, 24]. *5 Информационное примечание автора:под моделированием понимаютсяразные способы описания реальных технологических процессов. Больше всего уделяется внимание математическому моделированию на основании законов сохранения материи, энергии и движения, а также компьютерному моделированию, которое называется имитационным или машинным. Имитационное моделирование не требует строгого математического описания системы, достаточно знать лишь в общих чертах алгоритм функционирования и взаимодействия элементов системы управления технологическим процессом. Модель объекта управления условно можно подразделить на функциональные и структурные модели. Функциональные модели по способу разработки делятся на теоретические и формальные. Теоретические модели разрабатываются в процессе изучения физических закономерностей, проявляющихся в объекте управления. Формальные модели получают на основе экспериментов с объектом управления («черный ящик»), в ходе которых изучаются зависимости выходных переменных от входных без рассмотрения внутренних механизмов функционирования объекта. В принципе, для исследования процесса функционирования любой системы математическими методами, включая и машинные, должна быть обязательно проведена формализация этого процесса. Любая математическая модель описывает реальный объект управленияс некоторой степенью приближения. Для аналитического моделирования характерно то, что процессы функционирования системы записываются в виде некоторых алгебраических, дифференциальных, интегродифференциальных, конечно-разностных и 16
17 т.д. или с помощью логических соотношений. Аналитическая модель исследуется либо методами обычных вычислений явных зависимостей, связывающих искомые характеристики с начальными условиями, параметрами и переменными системы, либо численным методом, когда, не имею решения в явном виде, можно найти некоторые свойства системы, например, можно оценить устойчивость решения. В настоящее время распространены имитационные методы исследования характеристик функционирования сложных систем, к которым мы относим технологические процессы. Однако для реализации математической модели на ЭВМ необходимо построить соответствующий моделирующий алгоритм. При имитационном моделировании реализующий модель алгоритм воспроизводит процесс функционирования системы во времени, причем имитируются действия технологического процесса с сохранением их логической структуры и последовательности протекания во времени. Это позволяет по исходным данным получить сведения о состоянии системы в определенные моменты времени, дающие возможность оценить ее характеристики. Имитационные модели позволяют достаточно просто учитывать такие факторы, как наличие непрерывных и дискретных элементов, нелинейные характеристики, многочисленные случайные воздействия и т.д. На современном этапе имитационное моделирование является наиболее эффективным методом исследования технологических процессов, а часто и единственным, практически доступным для получения информации о состоянии и поведении системы, особенно на этапе проектирования. Так как сложные, а следовательно, и большие системы стали в последнее время объектом пристального изучения, проектирования и управления, то потребовалось обобщение методов исследования таких систем. Появилась объективная необходимость в установлении связи между абстрактной теорией систем и системной практикой. Появилась междисциплинарная прикладная наука системный анализ, который обобщает методики исследования сложных систем, в том числе технических, технологических, производственных, организационных, социальных и др. Для проведения анализа и синтеза сложных систем используют широкий спектр математических методов и моделей. Основу математического аппарата системного анализа составляют линейное и нелинейное программирование, теория принятия решений, исследование операций, имитационное моделирование, теория массового обслуживания, теория статистических решений и др. В настоящее время методы системного анализа получили широкое применение при проектировании различных сложных систем и объектов управления производственными и технологическими процессами. Так как в процессе исследования реальной системы обычно приходиться сталкиваться с разнообразными проблемами, а быть профессионалом в каждом из них одному человеку невозможно, то специалист, занимающийся системным анализом, должен иметь соответствующее образование и опыт, необходимый для анализа конкретных проблем. Это предъявляет особые требования к образовательному процессу, а именно, развитие мышления и эрудиции. Для решения той или иной задачи управления с помощью средств автоматизации она должна быть формализована, т.е. должна быть описана математическими зависимостями. Однако модель объекта это не всегда математическое описание, хотя в большинстве случаев математическая модель оказывается основой при построении системы управления. Из многих параметров технологического процесса следует выбирать такие, которые наиболее удобно определять в процессе оптимизации. Следует всегда стремиться, с одной стороны, к наиболее полному охвату всех сторон формализуемого процесса, а с другой стороны, к простоте его описания. Несмотря на сложность технологических процессов, которая выражается в многообразии операций и их взаимозависимости друг от друга, можно разбить процесс на простые этапы. Сами отдельные операции могут быть по себе сложными и содержать 17
18 последовательность простых этапов. В качестве простого этапа технологического процесса следует выбирать такую его часть, которая может быть описана математическими зависимостями. Это описание должно быть достаточно простым, а требуемые для описания значения параметров легко определимыми. Например, если имеется простая аналитическая зависимость между двумя какими-либо параметрами, то достаточно определить один из них, а второй легко найти с помощью этой зависимости. Исходными данными для получения математических зависимостей простых этапов должны быть результаты тщательного изучения технологического процесса и составление алгоритма его управления. Таким образом, можно сформулировать общую задачу управления. Составить прогноз хода технологического процесса по полученным данным, составить и реализовать такой план управляющих воздействий, связанный с изменением режимов работы оборудования, чтобы в определенный момент времени состояние технологического процесса отвечало некоторому экстремальному значению заданного критерия. Однако для технологической системы, состоящей из большого числа взаимодействующих подсистем, трудно обеспечить решение общей задачи управления, т.к. это достаточно сложная комплексная задача. Очень часто сложными системами, называют системы, которые нельзя корректно описать математическими зависимостями либо потому, что в системе имеется очень большое число элементов (подсистем), неизвестным способом связанных друг с другом, либо потому, что неизвестна природа явлений, протекающих в системе. В таких сложных системах, к которым мы относим технологическую систему, возникают проблемы. Эти проблемы относятся не только к свойствам их составляющих элементов (подсистем), но также к закономерностям функционирования системы в целом. При этом появляется широкий круг специфических задач, таких, как определение общей структуры системы, организация взаимодействия между элементами (подсистемами), учет влияния внешней среды, выбор оптимальных режимов функционирования системы, оптимальное управление системой и др. Чем сложнее система, тем большее внимание уделяется этим вопросам. Однако четкой границы, отделяющей простые системы от сложных систем нет. Деление это условное и возникло из-за появления систем, имеющих в своем составе совокупность подсистем с наличием функциональной избыточности. Простая система может находиться только в двух состояниях: исправное (состояние работоспособности) и неисправное (состояние отказа). При отказе лишь одного элемента простая система либо полностью прекращает выполнение своей функции, либо продолжает ее выполнение в полном объеме, если отказавший элемент резервирован. Сложная система при отказе отдельных элементов и даже целых подсистем не всегда теряет работоспособность, зачастую только снижаются ее характеристики. Это свойство сложных систем обусловлено их функциональной избыточностью при большом числе элементов (подсистем). Именно к таким системам и относятся технологические процессы металлургии, включающие многосвязанные и многомерные объекты управления. Однако их можно структурировать при наличии следующих признаков: комплексный характер управляемого технологического процесса, что предполагает наличие нескольких взаимосвязанных более простых объектов; иерархическая структура задач управления, т.е. подчиненность подзадач, составляющих более сложную задачу; необходимость последовательного решения задач управления. Поэтому основным понятием в сложной системе является понятие структурируемости системы, т.е. возможность расчленить ее на простые элементы (подсистемы). Отсюда вытекают такие принципы управления сложными системами: декомпозиция разделение сложного объекта на более простые; 18
Источник