Основные функции и структуры систем управления технологических процессов на базе вычислительной технике. Исполнитель

Основные функции и структуры систем управления технологических процессов на базе вычислительной технике.

Цель: Ознакомление с существующими автоматическими системами управления, распределения информационных и управляющих функций между оператором и ЭВМ, между ЭВМ и средствами контроля и управления.

План:

1. Информационные системы

2. Управляющие системы

 {spoiler=Подробнее}

В зависимости от роли человека в процессе управления, форм связи и функционирования звена «человек—машина», распределения информационных и управляющих функций между оператором и ЭВМ, между ЭВМ и средствами контроля и управления все системы можно разделить на два класса.

1. Информационные системы, обеспечивающие сбор и выдачу в удобном для обозрения виде измерительную информацию о ходе технологического или производственного процесса. В результате соответствующих расчетов определяют, какие управляющие воздействия следует произвести, чтобы управляемый процесс протекал наилучшим образом. Выработанная управляющая информация служит рекомендацией оператору, причем основная роль принадлежит человеку, а машина играет вспомогательную роль, выдавая для него необходимую информацию.
2. Управляющие системы, которые обеспечивают наряду со сбором информации выдачу непосредственно команд исполнителям или исполнительным механизмам. Управляющие системы работают обычно в реальном масштабе времени, т. е. в темпе технологических или производственных операций. В управляющих системах важнейшая роль принадлежит машине, а человек контролирует и решает наиболее сложные вопросы, которые по тем или иным причинам не могут решить вычислительные средства системы.

Информационные системы. Цель таких систем — получение операто­ром информации с высокой достоверностью для эффективного принятия решений. Характерной особенностью информационных систем является работа ЭВМ в разомкнутой схеме управления. Причем возможны инфор­мационные системы различного уровня: от простых, в которых данные о состоянии производственного процесса собирают вручную, до встроенных диалоговых систем высокого уровня.

Информационные системы должны, с одной стороны, представлять отчеты о нормальном ходе производственного процесса и, с другой сто­роны, информацию о ситуациях, вызванных любыми отклонениями от нормального процесса.

Различают два вида информационных систем: информационно-справочные (пассивные), которые поставляют информацию опе­ратору после его связи с системой по соответствующему запросу; информационно-советующие (активные), которые сами выдают абоненту предназначенную для него информацию периодически или через опреде­ленные промежутки времени.

В информационно-справочных системах (рис. 1) ЭВМ необходима только для сбора и обработки информации об управляемом объекте. На основе информации, переработанной ЭВМ и представленной в удобной для восприятия форме, оператор принимает решения относительно способа

Рис.1. Структурная схема информационно-справочной системы

управления объектом. Параметры технологических процессов, измеренные датчиками, преобразуются в цифровую форму устройствами сопряжения и вводятся в ЭВМ. После обработки в ЭВМ оперативная информация о ходе протекания технологического процесса поступает на устройства отображения технологических параметров (статистическая информация, предназначенная для регистрации), а вычисленные экономические и тех­нологические показатели печатаются в виде отчетов. Данные, которые в дальнейшем могут быть использованы в вычислениях, обычно фиксиру­ются в памяти ЭВМ или на машинных носителях.

Системы сбора и обработки данных выполняют в основном те же функции, что и системы централизованного контроля, и являются более высокой ступенью их организации. Отличия носят преимущественно ка­чественный характер.

ЭВМ представляет широкие возможности для математической обра­ботки данных (сравнение текущих значений параметров с их максимально и минимально доступными значениями, прогнозирование характера из­менения контролируемых параметров). На основе прогноза оператор имеет возможность так воздействовать на технологический процесс, чтобы не допустить существенного изменения параметров.

В математическое обеспечение ЭВМ входят библиотека рабочих про­грамм, каждая из которых выполняет одну или несколько функций центра­лизованного контроля, и программа-диспетчер. Программа-диспетчер по заранее определенному порядку или в зависимости от текущих значений технологических параметров выбирает для выполнения ту или иную ра­бочую программу.

Порядок выполнения рабочих программ может быть нарушен сигналов прерывания, который воспринимается и отрабатывается специальной под­программой программы-диспетчера. Сигнал прерывания может поступить от датчиков, установленных на технологическом оборудовании (аварийные остановки оборудования, резкое изменение состояния объекта управле­ния), а также от оператора. Общение между оператором и ЭВМ ведется в режиме «запрос—ответ».

Системы сбора и обработки информации используют при управлении технологическими и производственными процессами в случаях, когда имеет место сложность процесса, не позволяющая удовлетворительно описать его функционирование математической моделью, формально поставить и решить задачу управления.

В информационно-советующих системах наряду со сбором и обра­боткой информации выполняются функции: определение рационального технологического режима функционирования по отдельным технологиче­ским параметрам процесса; определение управляющих воздействий по всем или отдельным управляемым параметрам процесса; определение значений (величин) установок локальных регуляторов.

Данные о технологических режимах и управляющих воздействиях по­стукают через средства отображения информации в форме рекомендаций оператору. Принятие решения оператором основывается на собственном понимании хода технологического процесса и опыта управления им. Схе­ма системы советчика совпадает со схемой системы сбора и обработки информации.

Способы организации функционирования информационно-советующей системы следующие: вычисление управляющих воздействий производится при отклонениях параметров управляемого процесса от заданных техно­логических режимов, которые инициируются программой-диспетчером, содержащей подпрограмму анализа состояния управляемого процесса; вычисление управляющих воздействий инициируется оператором в фор­ме запроса, когда оператор имеет возможность ввести необходимые для расчета дополнительные данные, которые невозможно получить путем измерения параметров управляемого процесса или содержать в системе как справочные.

Эти системы применяют в тех случаях, когда требуется осторожный подход к решениям, выработанным формальными методами. Это связано с неопределенностью в математическом описании управляемого процесса; математическая модель недостаточно полно описывает технологический (производственный) процесс, так как учитывает лишь часть управляющих и управляемых параметров; математическая модель адекватна управляемому процессу лишь в узком интервале технологических параметров; критерии управления носят качественный характер и существенно изменяются в зависимости от большого числа внешних факторов.

Неопределенность описания может быть связана с недостаточной изученностью технологического процесса или реализация адекватной модели потребует применения дорогостоящей ЭВМ.

При большом разнообразии и объеме дополнительных данных общение оператора с ЭВМ строится в форме диалога. Например, в алгоритм вычисления технологического режима включаются альтернативные точки, после которых процесс вычисления может продолжаться по одному из не­скольких альтернативных вариантов. Если логика алгоритма приводит процесс вычисления к определенной точке, то расчет прерывается и оператору посылается запрос о сообщении дополнительной информации, на основе которой выбирается один из альтернативных путей продолжения расчета. ЭВМ играет в данном случае пассивную роль, связанную с обработкой большого количества информации и ее представлением в компактном виде, а функция принятия решений возлагается на оператора.

Промежуточным классом между информационной и управляющей системами можно считать информационно-управляющую систему, которая предоставляет оператору достоверную информацию о прошлом, настоящем и будущем состоянии производства для эффективного выполнения своих функций в нужное время и в требуемой форме. Следовательно, кроме программ сбора и обработки производственной информации необходима реализация ряда дополнительных программ статистики, прогнозирования, моделирования, планирования и др.

Управляющие системы. Адаптация к изменяющимся условиям управля­емого процесса осуществляется за счет опробования различных вариантов не на самом процессе, а на его математической модели, хранящейся в па­мяти ЭВМ. Математическая модель позволяет с помощью ЭВМ получить достаточно полную картину процесса в целом. Разработка модели процесса требует значительных усилий, однако на основе модели можно выполнить расчеты, необходимые для определения управляющих воздействий. Без всестороннего понимания существа процесса и без его описания опти­мальное управление невозможно.

Модель процесса, алгоритмы управления, измерения входных и вы­ходных параметров и элементы управления в комбинации с техническими средствами АСУ образуют «строительные блоки» современных систем Управления технологическими процессами.

По мере усложнения процессов даже самый квалифицированный оператор перестает справляться с задачами управления. Другой недостаток Управления, осуществляемого человеком-оператором, заключается в его Неспособности обеспечить непрерывность управляющего воздействия. Кроме того, при нескольких контурах управления оператор должен при­нимать решение по управлению к воздействию их между собой.

Управляющая система осуществляет функции управления по опреде­ленным программам, заранее предусматривающим действия, которые должны быть предприняты в той или иной производственной ситуации. За человеком остается общий контроль и вмешательство в тех случаях, когда возникают непредвиденные алгоритмами управления обстоятельства. Управляющие системы имеют несколько разновидностей.

Супервизорные системы управления. АСУ, функционирующая в режиме супервизорного управления (супервизор — управляющая программа или комплекс программ), предназначена для организации многопрограммного режима работы ЭВМ и представляет собой двухуровневую иерархическую систему, обладающую широкими возможностями и повышенной надеж­ностью. Управляющая программа определяет очередность выполнения программ и подпрограмм и руководит загрузкой устройств ЭВМ.

В супервизорной системе управления (рис. 2.) часть параметров управляемого процесса и логико-командного управления управляется локальными автоматическими регуляторами АР, а ЭВМ, обрабатывая из­мерительную информацию, рассчитывает и устанавливает оптимальные настройки этих регуляторов. Остальной частью параметров управляет ЭВМ в режиме прямого цифрового управления. Входной информацией являются значения некоторых управляемых параметров, измеряемых датчиками Д_у локальных регуляторов; контролируемые параметры состояния управля­емого процесса, измеряемые датчиками Д_к.

Нижний уровень, непосредственно связанный с технологическим процессом, образует локальные регуляторы отдельных технологических параметров. Поданным, поступающим от датчиков Д, и Д_к через устройство связи с объектом, ЭВМ вырабатывает значения уставок в виде сигналов, поступающих непосредственно на входы систем автоматического регулирования.

Основная задача супервизорного управления — автоматическое под­держание управляемого процесса вблизи оптимальной рабочей точки. Кроме того, оператор с пульта управления имеет возможность вводить дополнительную информацию (коррекция уставок, параметров алгоритмов регулирования, уточнение критерия управления в зависимости от внешних факторов и др.). Супервизорный режим позволяет не только автоматически контролировать процесс, но и автоматически управлять им вблизи опти­мальной рабочей точки. Функции оператора сводятся к наблюдению за технологическим процессом и в случае необходимости — к корректировке цели управления и ограничений на переменные. При подобном постро­ении системы управления повышается надежность системы, так как ее работоспособность сохраняется и при отказах в работе ЭВМ, в то же время появляется практическая возможность реализации более эффективных алгоритмов оптимизации, требующих большого объема вычислений.

Рис. 2. Структурная схема АСУ ТП с супервизорным управлением

Системы прямого цифрового управления. ЭВМ непосредственно выраба­тывает оптимальные управляющие воздействия и с помощью соответству­ющих преобразователей передает команды управления на исполнительные механизмы (рис. 3). Режим непосредственного цифрового управления

Рис 3. Структурная схема АСУ ТП с прямым цифровым управлением

позволяет исключить локальные регуляторы с задаваемой уставкой; применять более эффективные принципы регулирования и управления и выбирать их оптимальный вариант; реализовать оптимизирующие функции и адаптацию к изменению внешней среды и переменным параметрам объекта управления; снизить расходы на техническое обслуживание и унифицировать средства контроля и управления. Этот принцип управления применяют в станках с ЧПУ.

Оператор должен иметь возможность изменять уставки, контролиро­вать выходные параметры процесса, варьировать диапазоны допустимого изменения переменных, изменять параметры настройки, иметь доступ к управляющей программе. В подобных системах упрощается реализация режимов пуска и останова процессов, переключение с ручного управления на автоматическое. Основной недостаток подобных систем заключается в том, что надежность всего комплекса определяется надежностью устройств связи с объектом и ЭВМ, и при выходе из строя объект теряет управление, что приводит к аварии. Выходом из этого положения является организация резервирования ЭВМ, замена одной ЭВМ системой машин и др.

Контрольные вопросы:

1. Какие виды информационных систем существует?

2. Какие разновидности имеет управляющие системы?

{/spoilers}