Классификация и структура современных технологических объектов управления Исполнитель

Классификация и структура современных технологических объектов управления

Цель: Изучение и ознакомление с классификацией промышленного производства, место и роль электропривода в АСУ ТП, назначением, характеристикой и структурой современных АСУ ТП.

План:

1. Классификация промышленного производства
2. Место и роль электропривода в АСУ ТП
3. Назначение, характеристика и структура современных АСУ ТП.

{spoiler=Подробнее} 

Множество разнообразных технологических объектов управления, отличающихся физической природой, видом перерабатываемого сырья и энергии, технологическим оборудованием, затрудняет рассмотрение всех видов технологии. Однако в системе промышленного производства можно выделить два существенно отличных класса технологических процессов: добычу исходного сырья и переработку сырья или полу­фабриката в готовый продукт. В последнем случае готовым продуктом может быть и полуфабрикат, служащий исходным материалом для дальнейшей переработки. В свою очередь каждый из этих классов тех­нологических процессов имеет специфические стороны. Так, первый может быть разделен на добычу твердых, жидких или газообразных продуктов. Во втором — переработка сырья или полуфабриката — вы­деляются отрасли с технологией изменения агрегатного состояния или химического состава вещества и процессы, технология которых на­правлена на изменение формы исходной заготовки или исходного ма­териала.

Транспортировка сырья, полуфабрикатов и готовой продукции может рассматриваться в качестве самостоятельного класса. Здесь можно выделить технологические и межпроизводственные или меж­отраслевые транспортные средства.

На рис. 1.1 показана классификация промышленного производ­ства по указанному выше признаку. Каждый класс имеет два четко выраженных подкласса. В подклассе добычи твердого сырья выделе­ны три самостоятельные отраслевые технологии: подземных и откры­тых разработок и воднотранспортная (драги, земснаряды и др.); под­класс добычи жидкого или газообразобразного

Подкласс получения продукции, связанной с процессами измене­ния агрегатного или физико-химического состояния материала, при­сущ таким отраслям, как энергетика, химическая промышленность, металлургия (доменное, сталеплавильное производство, электрохи­мическая металлургия и др.). В этих процессах используются различные виды энергии (тепловая, электрическая, химическая, атомная). Энерго­носитель поступает к технологическому агрегату в виде пара, газа, компонентов исходных материалов (например, кокс в доменном и агломерационном производстве). Управляемыми параметрами здесь являются поток материала и его состав.

В данном случае технологическими объектами управления являют­ся транспортные, дозирующие и массоизмерительные устройства, под­готавливающие технологический процесс изменения агрегатного и физико-химического состояний исходных продуктов и собственно промышленное производство

Рис 1. Классификация промышленного производства

Непрерывность протекания физико-хи­мических процессов определяет их взаимную связь с транспортировкой и дозированием, что позволяет рассматривать весь технологический комплекс как единый технологический объект управления.

Подкласс производства продукции, связанный с изменением формы исходного сырья или полуфабриката, включает любые процессы поточ­ного или индивидуального производства. К ним могут относиться про­катка, штамповка, волочение, формовка, обработка резанием и т.д. Здесь используется только один вид энергии - механическая, источни­ком котором автоматизированный электропривод. Управляемым параметром является поток энергии.

Объединение ряда производственных механизмов в общий техно­логический комплекс осуществляется с помощью транспортных средств и механизмов изменения ориентации изделия. Наиболее характерной машиной в таком производстве становится управляемый манипулятор — промышленный робот.

Подкласс изменения формы значительно шире, чем показано на рис. 1.1. Выбирая наиболее широкую область технологии - металло­обработку - как пример массовых, наиболее характерных и распро­страненных технологических процессов, приходится отказываться от рассмотрения других специфических производственных процессов.

Технологическая транспортировка объединяет устройства пере­мещения сырья, полуфабрикатов и готовой продукции в соответст­вии с расположением технологического оборудования и требования­ми технологического процесса.

При рассмотрении вопросов совершенствования технологических процессов обращает на себя внимание роль человека в сфере мате­риального производства. Создание новых технологических процес­сов, разработка новых производительных механизмов, появление новых управляемых источников энергии приводит к тому, что роль человека практически сводится к переработке информации и выдаче управляю­щих воздействий. Этот процесс складывается из следующих этапов: а) накопления, и хранения априорной информации (процесс обучения и 'знакомства с конкретным технологическим объектом); б) приема исходной информации, содержащей конкретное оперативное задание по управлению объектом, получаемое непосредственно перед работой; в) сбора текущей информации о соответствии хода технологического процесса установленному заданию и перегрузках оборудования; г) преобразования трех видов информации (априорной, исходной и теку­щей) в целях принятия решения на управление объектом; д) воздей­ствия на органы управления объектом эффекторами (рукой, ногой, голосом и т.п.) для реализации принятых решений.

С развитием материального производства низкая информацион­ная производительность человека-оператора становится тормозом тех­нического прогресса. Человек не успевает воспринимать через органы чувств возросшее количество показаний индикационных приборов, необходимых для принятия соответствующего правильного решения. Он не в состоянии запомнить все правила управления технологическим оборудованием и рекомендации по ведению процесса. В ряде случаев, даже приняв правильное решение, оператор не успевает передать команду управляемому объекту. Попытка решить задачу путем увеличения числа операторов выдвигает проблему согласованности их действий.

Таким образом, только механизация и автоматизация информации с помощью АСУ ТП снимает это препятствие на пути технического про­гресса в области материального производства.

1.3. МЕСТО И РОЛЬ ЭЛЕКТРОПРИВОДА В АСУ ТП

В технологических процессах формообразования электропривод является основным управляющим источником механической энергии.

Интенсификация технологических процессов, повышение точности, совершенствование технологии, стремление к ведению процессов с мини­мальными потерями энергии обусловили тенденции современного эта­па развития автоматизированного электропривода, началом которого можно считать появление быстродействующих источников питания электродвигателей. Характерным для этого этапа электроприводов является не только интенсивное и повсеместное применение полупроводниковой техники, но и широ­кое внедрение унифицированных управляющих устройств, предназна­ченных исключительно для преобразования информации.

Такие устройства резко повышают быстродействие процессов уп­равления и расширяют возможности реализации сложных алгоритмов управления. Получает развитие аналоговая и цифровая управляющая техника. Подобного типа управляющие устройства становятся все более сходными с элементами электронных вычислительных машин, а струк­тура автоматизированного электропривода полностью приобретает явные черты типовой структуры АСУ. Современный электропривод функционирует вместе с автоматизированной системой управления, которая вырабатывает управляющее воздействие в соответствии с кри­териями минимальной длительности переходных процессов, минималь­ных потерь энергии, ограничения рывков и др.

Аналогия целей управления, унификация внутренней,  определяемой основными этапами информационного процесса, при­менение для автоматизации электропривода  элементов управляющих устройств, что и для различных рангов АСУ ТП, - все это позво­ляет при определении места и роли электропривода в АСУ ТП сделать следующие выводы.

1. АСУ ЭП предназначена для непрерывного или дозированного изме­нения потока механической энергии, необходимой для технологичес­кого процесса формообразования.
2. В АСУ ЭП в качестве объекта управления выделяются элементы энергетического канала: преобразующее, электродвигательное и пере­даточное устройства. Они осуществляют преобразование и передачу рабочему органу потока энергии. Управление потоком энергии может осуществляться путем воздействия на любой из этих трех элементов одновременно или порознь.

Преобразование информации происходит в управляющих каналах, выполненных в виде различных блочных устройств — как аналоговых, так и цифровых. Выделение энергетического и информационного кана­лов обусловлено различием решаемых ими задач и критериев качества функционирования. Так, для энергетического канала важнейшими пока­зателями являются пропускная способность, диапазон изменения пото­ка энергии и потери, определяющие энергетический КПД. Для информа­ционного канала главными являются его быстродействие при выпол­нении различных математических операций, возможность с высокой точностью реализовать сложные законы управления. Энергетический КПД таких элементов равен нулю.

1. Типовыми функциональными блоками внутренней структуры современных АСУ ЭП являются: а) блоки памяти — от уставок реле и напряжений сравнения до устройств хранения программ, записан­ных на магнитной или перфорированной ленте; б) блоки текущей информации, включающие в себя датчики и специальные устройства преобразования и кодирования первичного сигнала обратной связи; в) блоки управления, формирующие сигналы управления на основе преобразования исходной и текущей информации; г) блоки связи с объектом — устройства преобразования и усиления сигналов, выра­ботанных информационным каналом, до вида и уровня, необходимых для воздействия на управляемый источник питания двигателя или сам двигатель.

4.АСУ ЭП В АСУ ТП выполняет роль промежуточного звена. Она реализует законы управления, формируемые вышестоящи­ми уровнями технологических АСУ. Эти уровни, обеспечивая контроль за состоянием технологических параметров, задают уставки для уст­ройств управления АСУ ЭП. которая представляет собой самый нижний уровень в иерархической структуре АСУ.                               

5. ЭП обеспечивает автоматическую отработку выдаваемых, человеком-оператором или АСУ ТП заданий, контролируя их выполнение с помощью обратных связей по напряжению, току, скорости. Контроль технологическими  характеристиками данного механизма осу­ществляет АСУ ТП, выдающая задание управляющему устройству АСУ ЭП, которая является подчиненным элементом АСУ ТП.

Унификация элементов управляющей техники, применяемой и  ЭП и АСУ ТП, обусловила тенденцию прямого цифрового управления,  при котором функции управления АСУ ЭП принимают на себя вычислительные устройства АСУ ТП. В этом случае происходит слияние всех функций управления, как технологией, так и электроприводом в об­щем устройстве.

НАЗНАЧЕНИЕ, ХАРАКТЕРИСТИКА И СТРУКТУРА СОВРЕМЕННЫХ АСУ ТП

Основное назначение АСУ ТП состоит в автоматической оптимиза­ции технологического процесса. В таких системах обеспечивается реали­зация совершенных законов управления и как следствие - наиболее эффективное ведение технологического процесса и высокое качество продукции, т.е. выпускается максимально возможное количество гото­вой продукции при обеспечении необходимого ее качества и допусти­мой загрузки технологического оборудования. При этом в идеальном случае затраты должны быть минимальными. Это означает, что технологический комплекс и саму технологию необходимо спроектировать таким образом, чтобы оборудование имело наименьшие габаритные размеры и массу. Конструкция оборудования должна гарантировать минимум потерь в узлах трения, а технология - максимальное исполь­зование исходного продукта и энергии. Наконец, ведение технологи­ческого процесса должно обеспечить выпуск готовой продукции с наи­меньшим полем допусков и минимум брака.

Единственный критерий, способный объединить перечисленные пока­затели, - экономический. Если стоимостные эквиваленты не установ­лены, повышение эффективности достигается путем оптимизации одного или двух наиболее существенных параметров. При двух параметрах при­ходится отыскивать компромиссное решение. Еще более сложны поис­ки компромисса между минимумами расхода трех основных компонен­тов: материала, энергии и информации.

В целевой классификации АСУ ТП по типовым задачам управления, определяющей их назначение, можно выделить следующие группы:АСУ ТП. обеспечивающие стабилизацию (поддержание заданного рационального или оптимального технологического режима т.е. таких технологических параметров, на которые действующие возмущения оказывают существенное влияние. Например, к ним можно отнести системы стабилизации скорости резания при торцовой обработке дета­лей больших диаметров на металлорежущих станках, системы стабили­зации скорости шлифования при уменьшении диаметра шлифовального круга и др. ;

АСУ ТП, отрабатывающие с установленной точностью заданное или непрерывно задаваемое рациональное (оптимальное) изменение техно­логического процесса. Такие системы программного или следящего уп­равления применяются в роботах-манипуляторах, станках с ЧПУ, лиф­товых подъемниках и пр.;

АСУ ТП, самостоятельно (автоматически) выбирает наилучший по какому-либо признаку технологический режим и обеспечивающие его поддержание либо автоматически выбирающие наилучшую траекто­рию перемещения рабочего органа и обеспечивающие ее отработку с установленной точностью. К таким системам оптимального управления относятся АСУ ТП агрегатов оптимального раскроя материала, системы дистационной перестройки, рассчитывающие и реализующие оптимальную программу обжатий металла в отдельных клетях стана непрерывного прокатки, и т.д.

Характерной особенностью современных АСУ ТП является высокая производительность переработки информации при практически неогра­ниченном объеме памяти. Эта особенность базируется на применяемых в системах быстродействующих средствах вычислительной техники: программируемых контроллерах, микропроцессорах, управляющих вычислительных машинах (УВМ). Высокая информационная произво­дительность УВМ обеспечивает реализацию указанного назначения АСУ ТП.

На рис. 1.2 схематически показаны основные функциональные связи, устанавливаемые в системе человек - технологический объект управленця Для выполнения заданных операций управления человек должен получить ряд сведений, которые принято называть внешней инФорма- цией. Эта неизменная информация хранится в памяти оператора и вклць чает основные^ характеристики технологического процесса и порядок выполнения операций управления в нормальных и аварийных режима. Очевидно, отбор этой информации должен быть весьма тщатель­ным, так как перегрузка памяти большим количеством цифр и ситуа­ционных событий неизбежно приводит к частичной потере некоторых 12

По аналогичному принципу строится функциональная структура лю­бой АСУ, в том числе и АСУ ТП. На рис. 1.2 указаны рецепторы, память, мышление, эффекторы, присущие человеку-оператору, и их аналоги в АСУ ТП. Сохраняя в качестве самостоятельных блоки внешней и те­кущей информации, процессор и устройство связи с объектом, АСУ ТП выполняет две функции: информационную и управляющую. Информа­ционную функцию АСУ ТП ГОСТ 19194-73 определяет как функцию, целью которой является сбор, преобразование, хранение информации о состоянии технологического объекта управления, передача ее для последующей обработки.

Рассмотрим функциональные блоки, показанные на рис. 1.2. В блок внешней информации управляющего устройства, содержащий внешнее и оперативное запоминающие устройства, для длительного хранения вводятся априорная информация об объекте и технологические игнструк- ции. В эти же запоминающие устройства от общего пульта управления вводится также исходная оперативная информация о текущем задании. Текущая информация о технологическом процессе с помощью датчи­ков технологических параметров вводится в блок текущей информа­ции управляющего устройства.

Основными узлами управляющего устройства являются процессо­ры - логические и арифметические блоки, в которых априорная, исход­ная и текущая информация преобразуется в управляющие команды; Сложность этих устройств зависит от сложности задач, решаемых АСУ. На выходе системы установлены устройства связи с объектом, предназ­наченные для преобразования управляющих команд

Рис. 2. Структура управления технологическим объектом человеком оператором или АСУ ТП

Во внешней структуре АСУ ТП могут быть выделены системы раз­личных уровней или подсистемы АСУ ТП, выделяемые по функциональ­ному или структурному признаку, отвечающему конкретным целям и задачам. Если функции системы ограничены одним механизмом, то она называется локальной. Примером тому может служить система безотходного пореза металла, управляющая подвижным упором нож­ниц обжимного прокатного стана. Эта локальная АСУ ТП обеспечивает при раскрое минимум отхода металла с учетом срочности выполнения заказов. Она располагает информацией о длинах раската, стандартных длинах слябов, объемах и сроках выполнения заказов и вырабатывает задание на перемещение упора для АСУ ЭП. управляющие воздействия достаточной мощности.

Если механизмы, управляемые локальными системами, тесно связаны между собоЛ технологическим процессом, то для их взаимной ко­ординации создается узловая АСУ ТП."Объединение локальных АСУ ТП в узловые может быть осуществлено по территориальному или функ­циональному признаку. В этом случае устанавливается общая ситуа­ционная связь расположенных на одном агрегате рабочих органов или механизмов. Узловыми АСУ ТП являются, например, системы управ­ления печами, клетями и механизмами склада продукции обжимного прокатного стана.

Следующий уровень систем управления — комплексные АСУ ТП — обусловлен необходимостью взаимной связи узловых АСУ ТП в целях управления технологическими линиями и комплексами. Это, напри­мер, автоматизированные станочные линии, роботизированные комплек­сы станков, комплекс агрегатов и механизмов обжимного прокатного стана, тонколистового стана горячей прокатки, роторный землерой­ный комплекс.

Организованные в единую систему комплексные АСУ ТП, дополнен­ные информационными узлами и автоматизированными системами пере­работки информации отделов и служб предприятия, образуют автомати зированную систему управления предприятием — АСУ П. Несколько объединенных АСУ П образуют систему управления отраслью промыш­ленности - АСУ ОП. Такой принцип построения внешней структуры (рис. 1.3) получил название подчиненного, или иерархического. Иерар­хия АСУ ТП определяет порядок подчинения взаимосвязанных подси­стем общей системы, которая в пределах отрасли промышленности осно- * вывается на выработке определенной стратегии, реализуемой по опти­мальным законам с учетом возможностей конкретных промышленных предприятий, цехов, технологических комплексов, механизмов. Сущ­ность иерархического принципа состоит в том, что каждый из уровней вырабатывает задание-уставку, обязательную для подчиненного ему уровня.

Рис. 3  Иерархия построения автоматизированного комплекса на базе локальных и узловых АСУ ТП.

В последние годы при разработке АСУ ТП технологических линий и комплексов ранги иерархии сокращаются в связи с применением пря­мого цифрового управления, которое осуществляется централизован­но с помощью общего вычислительного управляющего комплекса. Происходит замена структурной иерархии алгоритмической. Здесь иерархическую структуру приобретает алгоритм работы управляющей вычислительной машины (УВМ).

Таким образом, АСУ ТП представляет собой комплекс технических, Ьредств технического, информационного, математического и програм­много обеспечения для управления технологическими объектами, ко­торый обеспечивает оптимальный г!ри данной структуре и технических средствах уровень автоматизации сбора и переработка ййформации для формирования управляющих сигналов и передачи их оез потерь и искаГ жения на исполнительные механизмы в целях достижения наиболее эф фективной работы технологического объекта управления в целом.

Контрольные вопросы:

1. На какие классы подразделяются технологические процессы?
2. На какие классы подразделяются АСУ ТП по типовым задачам управления?

{/spoilers}