Функции АСУ ТП Функции АСУ ТП

Функции АСУ ТП

Функции АСУ ТП § Основные функции, реализуемые средствами АСУ ТП, следующие: § Автоматическое регулирование (АР); § Логическое управление (ЛУ); § Контроль и отображение (КО); § Противоаварийная защита (ПАЗ); § Диагностика и прогнозирование (Ди. П); § Коммуникация (Ком).

Функции АСУ ТП

Функции АСУ ТП § АР (автоматическое регулирование) – функция, которая предназначена для поддержания непрерывных значений технологических параметров на заданном уровне или их изменение по заданному закону с соблюдением предъявляемых требований к качеству переходного процесса. § Особенности: § чаще всего работает с аналоговыми сигналами; § всегда задаются жесткие требования по выполнению этой функции, связанные с периодом дискретизации сигнала.

Функции АСУ ТП § ЛУ (логическое управление) – одна из наиболее распространенных функций, при помощи которой, на основе дискретных и аналоговых сигналов, получаемых от процессов, на основе выполнения логических функций различной степени сложности, формируется дискретный сигнал управления двумя состояниями «Вкл/Выкл» , которые используются для запуска и остановки ТП и отдельных агрегатов, изменения режимов работы и контроля за разрешением выполнения других функций.

Функции АСУ ТП § КО § § § (контроль и отображение) – чисто информационная функция, предназначенная для сбора информации, обработки ее различными способами, фильтрации, сглаживания, статического анализа и преобразования с целью предоставления информации в форме, удобной для наблюдения человеком-оператором. Основные устройства – ввода/вывода начиная от простейших: сигнализаторы; цифровые индикаторы; стрелочные приборы; самописцы; мнемонические табло-схемы; принтеры; операционные панели; дисплеи.

Функции АСУ ТП § ПАЗ (противоаварийная защита) – предотвращает в системе аварийные ситуации, приводящие к необратимым последствиям. Например, поломка отдельных частей ТА, разрушение ТА или выброс вредных веществ. § Особенности: функция работает в режиме КО, не производя действий. При возникновении аварийных ситуаций: должны быть исключены ее сбои; реакция ПАЗ должна быть выше реакции основной системы, например, при выполнении логических функций. § ПАЗ работает на основе прерываний, имеющих повышенный приоритет по отношению к другим функциям управления.

Функции АСУ ТП § ДП (диагностика и прогнозирование) включает § 1) ДП состояния ТП – функция, оценивающая граничные значения технологических параметров, скорость изменения с целью выявления износа отдельных частей ТП, влияющих не только на работоспособность, но и на производительность, экономичность и т. п. § 2) Самодиагностика – функция ориентирована на установление работоспособности отдельных аппаратных составляющих системы и правильности выполнения основных функций.

Функции АСУ ТП § КС (коммуникация и связь) – функция для § § § осуществления обмена данными устройства управления (контроллера, ЦПУ): а) с внешними периферийными устройствами б) с верхним уровнем АСУ ТП по локальной (глобальной) сети в состав которой входит устройство управления. Рассмотрим перечисленные функции более подробно.

Автоматическое регулирование

Автоматическое регулирование § В зависимости от того, какие задачи ставятся для поддержания выходного сигнала y, системы АР делятся на: § системы стабилизации (у=const); § системы программного управления: изменение выходной величины объекта в соответствии с заданной функцией y=f(V, t), где функция f определена заранее; § следящие системы: x(t)=V(t); § системы оптимального управления: наряду с управлением обеспечивается выполнение дополнительных требований к качеству процессов (время переходного процесса, перерегулирование, установившаяся ошибка);

Автоматическое регулирование § § § системы адаптивного управления: y =f(y, t, V), модели ОУ плохо определены, нелинейные, нестационарные. Этапы разработки системы: Построение модели ОУ – идентификация; Вычисление управляющего воздействия. Современные САР, как правило, цифровые, следовательно требуется аналогово-цифровые (АЦП) и цифро-аналоговые (ЦАП) преобразователи.

Автоматическое регулирование

Автоматическое регулирование § Здесь Vк, Uк, yк – дискретные сигналы. V(t), § § § U(t), y(t) –непрерывные. Основной задачей при реализации функции управления является преобразование каждого параметра из аналоговой величины в цифровую, и наоборот. Одной из задач цифровых регуляторов (ЦР) является строгое соблюдение временных интервалов. Рассмотрим варианты реализации ЦР.

Автоматическое регулирование

Автоматическое регулирование § Автономные ЦР – это специальные устройства, имеющие в своем составе полный набор программных и аппаратных средств для реализации управления: АЦП, ЦАП, память, процессорное устройство, операционная система, внешняя память, органы управления изменением параметров (настройка регулятора), источник питания, интерфейс связи, наличие индексирования. § Недостатки: высокая стоимость, ограничение возможности коммуникации. § Достоинства: надежность, быстродействие, неограниченное число контуров управления.

Автоматическое регулирование § Встраиваемые ЦР – регуляторы, которые имеют в своем составе полный набор средств для выполнения функции регулирования, но конструктивно предназначены для установки и работы в составе устройства управления, решающего всю задачу автоматизации. § Пример: семейство контроллеров Simatic S 7.

Автоматическое регулирование § Здесь PS (Power Supply) – источник питания, CPU – § § центральный процессор, IP (Intellectual Peripherals) – интеллектуальная периферия. Модули, которые устанавливаются в состав контроллера, имеют возможность обработки нескольких контуров регулирования, число которых может изменяться в диапазоне от 3 до 12. Достоинства: § гибкость за счет изменения параметров со стороны CPU; § меньшая стоимость, высокая коммуникативность, высокое быстродействие. Недостатки: ограничение по контурам управления (мало посадочных мест), контроль и отображение ведется с помощью контроллера.

Автоматическое регулирование § Программные ЦР регуляторы, функция регулирования которых выполняется при помощи программы, находящейся в CPU, а для ввода и вывода сигналов используются соответствующие периферийные модули аналогового ввода (Analog Input, AI) и вывода (Analog Output, AO).

Автоматическое регулирование § Достоинства: гибкость (за счет изменения программы), самый дешевый способ регулирования (затраты – только на разработку программы). § Недостатки: программа регулирования существенно нагружает CPU (по памяти и по времени), невысокая надежность (при выходе из строя CPU регулирования нет!). § Модульное регулирование – это способ, при котором функция регулирования (весь набор вычислений) реализуется с помощью стандартных программных модулей, выполняющих элементарные математические действия: вычитание (определение разницы между уставкой и регулируемой величиной), сложение (сигналов), умножение, интергированин, дифференцирование.

Автоматическое регулирование § Достоинства: позволяет реализовать нестандартные функции регулирования, гибкость. § Недостатки: см. программные ЦР. § Структурные регуляторы – это регуляторы, в основе которых используется ПИД-алгоритм, но с дополнительными звеньями, позволяющими производить обработку сигналов перед входом регулятора и после его выхода. § Обработку входного сигнала можно представить с помощью цепочки:

Автоматическое регулирование § КД – контроль достоверности. Используется для устранения влияния импульсных помех. § Правило обработки сигнала: § Если то за результат принимается § Здесь среднее значение.

Автоматическое регулирование § СГ – функция сглаживания. Позволят устранить нежелательные высокочастотные измеренном сигнале. Реализуется низкочастотного фильтра: сигналы в с помощью § КН – компенсирующая нелинейность. Используется для устранения нелинейностей. § Выявляется нелинейность, реализуется антинелинейный сигнал. В итоге после суммирования нелинейного сигнала с антинелинейным получается результат.

Автоматическое регулирование § ГЗ – граничные значения. Если уровень сигнала выходит за рамки установленного диапазона, то выдается «предупредительный сигнал» . Если сигнал после этого продолжает расти и превышает аварийно-допустимый уровень, то выдается «аварийный сигнал» . § Далее следует ПИД-регулятор, он выполняет регулирование процессов в системе в соответствии с заданными требованиями качества переходных процессов и задач управления. § Выходные сигналы формируются с помощью КНФ – квазинепрерывного формирователя (экстраполяторы 0 и 1 порядков и интегратор 1 -го порядка), ШИМ – широтно-импульсного модулятора, ИП – импульсного преобразователя.

Логическое управление § Наибольший § § объем выполняемых задач и обрабатываемых переменных приходится, как правило, на функции логического управления. ЛУ делится на жесткое и гибкое. Жесткое управление – это управление с помощью специализированных средств (реле, транзисторы, ИМС, ПЛМ). Структура и, следовательно, набор и вид выполняемых функций задается на этапе проектирования и определяется конструкцией (релейная автоматика, транзисторная логика, интегральные микросхемы, программируемые логические матрицы, специализированное микропроцессорное устройство). Но такие элементы стали неудобны.

Логическое управление § Гибкое управление реализуется средствами ПЛК (программируемых логических контроллеров), устройств модульного типа, в состав которого кроме источника питания и CPU можно включать разнообразный набор периферийных модулей для ввода и вывода дискретных сигналов. Они реализуют большое количество режимов прерываний. Иначе ПЛК называют масштабируемыми устройствами управления. Пример масштабируемости: Siemens Simatic S 7200, S 7 -300, S 7 -400. Аналогичные линейки есть у Analog Devices, Schneider, Omron, Allen Bradley.

Логическое управление § ПЛК имеет в своем составе CPU с операционной системой реального времени, приспособленной решать задачи в режимах, требуемых именно для управления, а также модули дискретного ввода/вывода (DI/DO).

Логическое управление § Например, для выполнения логического управления требуется циклический режим обработки программ. Помимо циклического, предусмотрены различные режимы прерываний (по времени, аварийные, др. ).

Логическое управление § В ПЛК наличествуют специализированные языки программирования, ориентированные на наиболее удобное восприятие специалистами. § Виды логических алгоритмов: § 1. Временнόе управление (потактовое, циклическое) – это функция, в которой последовательность управления исполнительными органами задается при помощи временных соотношений и чаще всего изображается в виде диаграммы. Для него характерно отсутствие входных сигналов.

Логическое управление § 2. Пошаговое управление – процесс воздействия на объект разделяется на определенную последовательность выполняемых действий (существует сценарий). Переход от одного действия к другому происходит по условиям, формируемым логическими функциями входных сигналов, а иногда и временными соотношениями. § 3. Блокированное управление – для каждого исполнительного устройства записываются (программируются) логические условия, разрешающие включение или выключение с учетом состояния органов управления, стадий и состояния ТП, положения и состояния др. исполнительных органов.

Логическое управление § 4. Селективное управление – управление на множестве состояний. § 5. Аналого-дискретное управление. Управление осуществляется аналоговыми сигналами. Используется для управления по граничным значениям.

Контроль и отображение § Функции контроля и отображения применяются для создания человеко-машинных интерфейсов (HMI), устройств, передающих и отображающих информацию. Различают локальный и центральный КО. § Локальный контроль – для выполнения всех предписанных задач, но в непосредственной близости от технологического объекта, при этом ТО должен быть в зоне видимости. Такое управление реализовывается при помощи специализированных устройств: текстовые панели, графические панели, панели операторов.

Контроль и отображение

Контроль и отображение § Панели оператора – устройства, содержащие либо текстовый (чаще) или графический дисплей, 2 поля с кнопками – набор стандартный кнопок для управления панелью, работы с меню и переключения режимов. Второе поле – функциональные клавиши, снабжены световыми индикаторами и используются для подачи команд оператора в систему.

Контроль и отображение § Подключение операторской панели:

Контроль и отображение § Операционная панель может считывать из CPU § § значения заданных переменных из области входов, выходов, маркеров и счетчиков, может записывать значения своих переменных либо от клавиш управления F 1 -F 16, либо от числовых значений параметров в той же области контроля. Можно запрограммировать: 1. вывод рабочих сообщений (текст, значение параметра, время); 2. вывод сообщений о неполадках (вызываются по инициативе процесса); 3. вывод рецептов – совокупности технологических параметров, связанных с обслуживанием определенного режима или с выпуском вида продукции;

Контроль и отображение § 4. вывод образов – групп значений отображаемых параметров, связанных с определенным объектом или режимом работы ТП; § 5. ввод команд, формируемых по нажатию F 1 -F 16. Состоят из адреса переменной и ее значения, помещаемых в буфер обмена, откуда считываются в CPU. Могут группироваться в наборы в зависимости от режима работы, с подсказкой.

Контроль и отображение § Централизованный контроль реализуется на втором уровне АСУТП, предназначен для связи операторов-технологов, находящихся в удаленном диспетчерском пункте, со всеми частями управляемого ТП. Осуществляется при помощи станций оператора для организации функционирования которых используются SCADA-пакеты, взаимодействующие с сервером.

Контроль и отображение

Контроль и отображение § SCADA-пакет – совокупность средств, позволяющих наглядно отображать состояние ТП в виде набора экранных изображений, на которые выводятся статические картинки мнемонического отображения ТП или его части с наложением динамических элементов, показывающих состояние исполнительных органов путем изменения внешнего вида, цвета, значения параметров в цифровой либо аналоговой форме и наложением динамических окон, при помощи которых можно изменять значения параметров или подавать команды управления.

Контроль и отображение § Кроме этого система обеспечивает вывод сообщений, автоматически связанных с изменением режимов работы отдельных частей ТП или возникновением аварийных либо внештатных ситуаций. Все принимаемые со стороны ТП значения и сообщения накапливаются в архивах для последующего воспроизведения истории развития процесса или формирования протоколов (отчетов). § Наиболее известные SCADA-пакеты: In Touch (USA), Genesis (USA), Real Flex (USA), Win. CC (Germany) -> Simatic S 7 -> 40% рынка, Trace Mode (RU), Круг 2000 (RU), Open. SCADA (RU).

Контроль и отображение § SCADA-пакет – пакет программ, который позволяет проектировать и сопровождать процесс выполнения системы Ки. О (системы диспетчеризации), включая основные следующие задачи: § 1. обмен данными с устройствами низкого уровня, между станциями; § 2. Накопление, архивирование данных при помощи универсальных БД или пользовательских БД, при этом используется выделенный сервер; § 3. Отображение информации в виде графических мнемосхем технологического процесса с наложением числовых, световых значений параметров или их отображений в отдельных окнах в виде таблиц, графиков, диаграмм;

Контроль и отображение § 4. Вывод сообщений о событиях в системе, в объекте, сопровождаемой отметкой времени, текстовыми сообщениями и информацией о параметрах – рабочих и аварийных; § 5. Формирование отчетов – документирование и вывод различных видов протоколов; § 6. Внедрение собственных программ пользователя и вызов системных функций. § SCADA-пакет состоит из проектирующей части и исполнительной части. Их можно приобретать по отдельности. Например, на 10 рабочих станций достаточно одной проектирующей части, но исполнительная часть (Run. Time) у каждой станции должен быть своя.

Контроль и отображение

Контроль и отображение § Проектирующая § § § часть (набор редакторов, которые позволяют создавать все составляющие системы отображения) содержит: редактор связей – формирует список переменных с указанием устройств, с которых эти данные должны считываться, драйвера, адреса переменных (имя и адрес переменной в этом устройстве) и цикла актуализации (время опроса); редактор архивов – для хранения переменные; редактор сообщений – для формирования текста, в котором могут выставляться значения параметров, и условий его отображения;

Контроль и отображение § графический редактор – часть системы, при помощи которой создаются все графические образы (отдельные динамические элементы, клавиши, кнопки). Позволяет разбивать всю совокупность изображений на отдельные экранные образы (могут иметь структуру – дерево); § редактор сценариев – редактор программ (на языках С, Visual Basic), описывающих поведение системы при возникновении различных событий, в том числе срабатываний таймеров; § редактор протоколов (отчетов) – для подготовки печатных документов, которые сопровождают работу системы.

Противоаварийная защита § Предназначена для наблюдения за граничными § § § значениями параметров ТП. Вырабатывает предупредительные сигналы и переводит исполнительные устройства ТП в состояние, предотвращающее возможность возникновения аварийной ситуации. Основное состояние: непрерывный контроль. Реализована отдельно от устройства управления. Задачи ПАЗ. 1. Контроль за ПДЗ (предельно допустимыми значениями). Измерение аналоговых параметров и сравнение их с граничными. 2. Оценка скорости изменения параметров.

Противоаварийная защита § 3. Аварийная блокировка исполнительных органов. § § Для принятия решения о блокировке ПАЗ должна производить логический анализ ситуации. Требования: 1. Надёжность системы ПАЗ. Выпускают на аппаратных средствах, отличающихся от остальных систем управления. Технические средства должны быть сертифицированы и иметь разрешение контролирующих органов на применение. 2. ПАЗ – дублированная система. Категории дублирования H, F. Н – конфигурация, в которой активным является одно из дублирующих устройств, а второе используется как резервное в случае неисправности первого.

Противоаварийная защита § В случае ошибок управление передается пассивной системе. F - оба устройства являются активными и производят сравнение результатов выполнения команд и на основе некоторых критериев, заложенных в контроллер, разрешение выдаётся одному из устройств. Если отклонения повторяются, то система выдаёт сигнал о сбое (сбой выявляется быстрее чем в H). § Рассмотрим варианты реализации:

Противоаварийная защита § а) дублирование CPU c объединённой периферией.

Противоаварийная защита § б) конфигурация с раздельной периферией. Сигнал вводится в контроллер четырьмя независимыми наборами устройств. К – коммутатор.

Противоаварийная защита § в) дублирование на уровне исполнительных механизмов. датчиков и

Противоаварийная защита § Обычно применяется комбинированное дублирование. Так же есть троированые системы ПАЗ (сверх надёжные). § 3. Быстродействие обеспечивается за счёт использования режимов прерывания (аппаратных или аварийных), которые имеют высший приоритет по отношению к другим перифериям, использованным в системе. При возникновении прерываний сигнлы вводятся/выводятся путём непосредственного обращения к периферийным модулям, минуя область отображения.

Диагностика и прогнозирование § Функция предназначена для оценки отдельных органов технологического процесса, соединительных линий, контроль прохождения команд управления, а также самодиагностики или самотестирования, определения работоспособности элементов самой системы управления. § В результате выполнения функции диагностики, выявляются выходы за границы контролируемого параметра, вырабатывается сигнал, посылается сообщение или вызывается автоматическая процедура замены поврежденного органа. § Может сочетаться с пожарной сигнализацией, охранной системой.

Диагностика и прогнозирование § Самодиагностика – набор средств, определяющих работоспособность самой системы управления как на аппаратном так и на программном уровнях. § На аппаратном уровне существуют периферийные модули, которые определяют ситуацию обрыва провода. Все остальные сбои определяются автоматически операционной системой (например если не отвечает периферийный модуль). В результате возникновения программных или аппаратных ошибок инициируется вызов специальных организационных блоков.

Диагностика и прогнозирование § С их помощью пользователь может запрограммировать реакцию на возникновение той или иной ошибки. § Прогнозирование – позволяет предсказывать состояние или развитие ситуации для своевременного исключения нежелательных процессов. § Функции самодиагностики присутствуют во всех современных исполнительных устройствах технологических процессов. Проверяют работу процессоров, периферийных модулей, связи, памяти, источников питания при включении.

Диагностика и прогнозирование § Пример - контроль управления двигателем (оценка скорости вращения и температуры подшипников):

Коммуникация § Это функция, которая предназначена для обеспечения связи управляющих устройств с системами отображения, периферийными устройствами и другими устройствами управления данного или вышестоящего уровня управления. § Различают коммуникацию: локальную, удаленную, сетевую. § Локальная коммуникация – набор программных и аппаратных средств, позволяющих подключать к устройству управления другие устройства, расположенные в непосредственной близости при небольшом удалении. § связь с устройствами и приборами, находящимися в непосредственной близости к устройству управления.

Коммуникация § Пример § § – подключение программатора и операторской панели к ПЛК. Если возможностей CPU не хватает, то используют коммуникационный процессор (CP) – устройство, специализированное на выполнение функций обмена информацией. CP программируется самостоятельно, независимо от CPU. Обмен между ними происходит по внутренней шине контроллера через двухпортовую память. Особенность: небольшой набор устройств, небольшая удаленность 2 -3 м, соединение: «точка» , простейшие интерфейсы связи (например, RS-232), невысокая стоимость (только кабель), невысокая скорость передачи данных.

Коммуникация § Удаленная коммуникация – связь, обеспечивающая обмен данными между центральными устройствами управления и периферийными устройствами на расстоянии до десятков метров. § Применяемые интерфейсы связи: TTY (токовая петля), RS 485. Недостаток: ограниченное число периферийных устройств (до 32), усеченная версия сетевого обмена по принципу Master – Slave. § Типичная периферия – датчики (со встроенным интерфейсом серии Sitrans), исполнительные устройства (частотные преобразователи).

Коммуникация

Коммуникация § Сетевая коммуникация – это средства и функции, позволяющие подключать устройства управления в состав распределенной системы управления. Они предназначены для организации обмена данными между разнообразными средствами, входящими в состав сети, располагающимися иногда на значительном расстоянии друг от друга. § Особенности: наличие устройств с различными способностями коммуникаций, обмен производится небольшими массивами информации, максимальный размер 128 байт, существует возможность выставлять приоритеты для различной информации, обмен должен производиться в режиме реального времени.

Коммуникация