Основы теории автоматического управления Занятие 1 Вводные понятия

Основы теории автоматического управления Занятие 1 Вводные понятия

Лектор Солодов Сергей Владимирович, к. т. н. Заместитель директора института ИТАСУ Заместитель заведующего кафедрой Информационных бизнес систем Доцент кафедры Автоматизированных систем управления

Структура курса ¡ ¡ Группа МА: 2 семестра (5 -й - зачет, 6 -й – экзамен) Группа МИ: 1 семестр (5 -й – зачет)

Содержание 7 -го семестра Объем занятий и контрольные мероприятия: ¡ 1 час лекционных занятий и 1 час лабораторных работ в неделю ¡ 4 лабораторных работ, 2 домашних задания Обобщенная тематика: ¡ Преобразования структурных схем систем управления, соединения звеньев, обратные связи ¡ Типовые динамические звенья. Передаточные функции Преобразование Лапласа: оригиналы и изображения ¡ Временные и частотные характеристики систем автоматического управления ¡ Устойчивость систем автоматического управления ¡ Регуляторы и требования предъявляемые к системам регулирования

Общие понятия об управлении ¡ Управление – это целенаправленное изменение или поддержание состояния технического объекта в соответствии с имеющимися алгоритмами функционирования; ¡ Автоматическое управление – поддержание нормального функционирования управляемого объекта в соответствии с заданным алгоритмом без непосредственного участия человека ¡ Автоматизированное управление – управление на основе человеко-машинного взаимодействия. Обеспечивает рациональное управление сложным объектом в соответствии с заданной целью

Устаревшие термины, связанные с системами управления ¡ «Кибернетика» . Термин был введен Винером. В 1948 вышла его историческая книга «Кибернетика, или управление и связь в животном и машине» . В СССР появился примерно в 60 -х гг. (ранее термин считался буржуазным) Из общего употребления вышел в 1980 -е и лишь ограниченно применяется в области биологических систем. ¡ «Автоматизированная система управления» или «АСУ» — комплекс аппаратных и программных средств, предназначенный для управления различными процессами в рамках технологического процесса, производства, предприятия. Термин АСУ появился в середине 1960 -х гг. Первоначально АСУ строились на базе высокопроизводительных (для своего времени) ЭВМ. Для их размещения и обеспечения работы создавались вычислительные центры (ВЦ), для которых необходимы были обученный персонал, специально оборудованные помещения, определенный микроклимат. При таких ВЦ создавались службы АСУ (иногда численностью до 200 – 300 человек). Обработка информации велась централизовано. С появлением персональных ЭВМ АСУ стали создаваться на базе автоматизированных рабочих мест (АРМ), объединенных в локальную вычислительную сеть (ЛВС). В настоящее время используется в промышленности достаточно редко в связи с появлением MES и ERP (вышел из употребления в 90 -е гг. ). Используется как рубрикатор в журналах для обозначения направления. ¡ «АСУП» (Автоматизированная система управления производством) решает задачи организации производства, включая основные производственные процессы, входящую и исходящую логистику Осуществляет краткосрочное планирование выпуска с учётом производственных мощностей, анализ качества продукции, моделирование производственного процесса. Для решения этих задач применяются MES-системы (термин, использующийся в настоящее время). ¡ Есть искаженное понятие термина АСУП: автоматизированная система управления предприятием. Реализуется управленческий учет, является корпоративной информационной системой (часто на основе 1 С).

Уровни управления интегрированным предприятием

Описание уровней интегрированных систем предприятия ¡АСУ ТП - автоматизированная система управления технологическим процессом – комплекс программных и технических средств, предназначенный для автоматизированного управления технологическим оборудованием предприятия. Основу АСУТП составляет программно-технический комплекс (ПТК), работающий в режиме реального времени. ¡MES (Manufacturing Execution System) - производственная исполнительная система. Системы такого класса решают задачи синхронизации, координируют, анализируют и оптимизируют выпуск продукции в рамках какого-либо производства. ¡ERP (Enterprise Resource Planning System) представляет собой комплекс программных средств, которые оптимизируют управленческую работу компании. В переводе EPR означает «планирование ресурсов предприятия» . Система автоматизирует все бизнеспроцессы и объединяет все базы данных предприятия в единую. Это позволяет значительно сократить время обслуживания клиента. Термины КИС и ERP часто используются как синонимы, но при этом следует различать эти определения. Функции, реализуемые ERP системами стандартизованы, в то время как термин КИС используется как более общее понятие. 1 С-это КИС, SAP R/3 - ERP.

Информационно-аналитические системы на базе OLAP-технологий ¡ OLAP (on-line analytical processing) — набор технологий для обработки информации в реальном времени, включающих динамическое построение отчётов, анализ данных, мониторинг и прогнозирование ключевых показателей бизнеса. В основе OLAP-технологий лежит представление информации в виде многомерных OLAP-кубов. ¡ Многомерные OLAP-кубы содержат бизнес-показатели необходимые для анализа, например: прибыль и себестоимость; а различные бизнес-категории пользователя: товары, магазины, клиенты, время продаж и т. д. являются гранями куба. ¡ За счёт структурирования информации многомерные OLAP-кубы позволяют в реальном времени осуществлять анализ данных и формировать отчёты в различных разрезах и произвольной глубиной детализации. При работе с OLAP-кубами пользователь оперирует привычными категориями и показателями: виды готовой продукции, материалы, регионы, время продаж, объём реализации, себестоимость, прибыль и т. п. Отчёты создаются руководителями и аналитиками в интерактивном режиме. ¡ Из любого подмножества граней и показателей многомерного OLAP-куба может быть составлен обычный плоский отчёт. По столбикам и строчкам отчёта будут бизнес-категории (грани куба), а в ячейках показатели.

Дисциплины в привязке к уровням управления ¡Теория информационных систем ¡Интеллектуальные информационные системы ¡Методология проектирования интегрированных автоматизированных систем управления ¡Основы теории линейного управления; основы теории нелинейного управления; системы реального времени

Функциональный разрыв между ERP и АСУТП Класс задач между АСУТП и ERP не нов и хорошо известен. Средства автоматизации этих процессов разрабатывались, в том числе и в нашей стране, более 20 лет назад и носили название АСУ производственных процессов (АСУПП) или АСУП

Отличие MES от ERP ¡ ¡ ¡ Главное отличие MES от ERP заключается в том, что MES системы, оперируя исключительно производственной информацией, позволяют корректировать либо полностью перерассчитывать производственное расписание в течение рабочей смены столько раз, сколько это необходимо. В ERP системах по причине большого объема административно-хозяйственной и учетно-финансовой информации, которая, непосредственного влияния на производственный процесс не оказывает, перепланирование может осуществляться не чаще одного раза в сутки. За счет быстрой реакции на происходящие события и применения математических методов компенсации отклонений от производственного расписания, MES системы позволяют оптимизировать производство и сделать его более рентабельным. MES системы, собирая и обобщая данные, полученные от различных производственных систем и технологических линий (нижний уровень пирамиды), выводят на более высокий уровень организацию всей производственной деятельности, начиная от формирования производственного заказа и до отгрузки готовой продукции на склады. MES системы реализуют связь в реальном времени производственных процессов с бизнес процессами предприятия и улучшают финансовые показатели предприятия (cash flow), включая повышение отдачи основных фондов, ускорение оборота денежных средств, снижение себестоимости, своевременность поставок, повышение размера прибыли и производительности. MES системы формируют данные о текущих производственных показателях, включая реальную себестоимость продукции, необходимые для более качественного функционирования ERP систем. Таким образом, MES - это связующее звено между ориентированными на финансово -хозяйственные операции ERP-системами и оперативной производственной деятельностью предприятия на уровне цеха, участка или производственной линии.

Сегментация контуров управления предприятием

Сегментация контуров управления предприятием ¡ ¡ При этом каждый контур управления характеризуется своим уровнем интенсивности циркулирующей в нем информации, своим масштабом времени и своим набором функций: · контур управления уровня АСУТП (технологический) является самым интенсивным по объему информации и самым жестким по времени реакции, которое может составлять секунды и даже миллисекунды. В верхнем уровне слоя АСУТП - в SCADA-системах происходит накопление и обработка большого числа технологических параметров и создается информационная база исходных данных для MES-уровняю. · контур управления уровня MES (оперативно-производственный) опирается на отфильтрованную и обработанную информацию, поступающую как от АСУТП, так и от других служб производства (снабжения, технической поддержки, технологических, планово-производственных и т. д. ). Интенсивность информационных потоков здесь существенно ниже и связана с задачами оптимизации заданных производственных показателей (качество продукции, производительность, энергосбережение, себестоимость и т. д. ). Типовые времена циклов управления составляют минуты, часы, смены, сутки. Оперативное управление производством в этом контуре управления осуществляется специалистами, которые более детально, чем высший менеджмент, владеют производственной ситуацией (руководители производственных цехов, участков, главные технологи, энергетики, механики и др. ). В связи с этим должно повышаться качество и эффективность принимаемых решений в пределах делегированных сверху полномочий. · контур управления уровня ERP (стратегический) освобождается в этом случае от решения оперативных задач производства и обеспечивает поддержку бизнес-процессов предприятия в целом. Поток информации от производственного блока становится минимальным и включает в себя агрегированную управляющую и отчетную информацию по стандартам ERP с типовыми временами контроля (декада, месяц, квартал), а также "алармовые" сигналы, требующие немедленного вмешательства высшего менеджмента предприятия.

Производственные исполнительные системы (MES) необходимый элемент эффективного управления предприятием ¡ В большинстве реализованных проектов, связанных с созданием интегрированных систем управления промышленным предприятием (во всяком случае, в России) существует целый пласт функций, не покрываемых ни классом ERP, ни классом АСУТП. На условной модели предприятия, можно показать, что ERPсистемы не обеспечивают оперативного управления производством, ограничиваясь стратегическим планированием, что предопределяет существование значительного функционального разрыва между уровнем ERP и уровнем АСУТП. А именно в этом "неохваченном" информационными технологиями слое оперативного управления производством находится целый класс жизненно важных для предприятия производственных процессов, создающих прибавочную стоимость продукции, и оказывающих значимое влияние на эффективность предприятия в целом.

Вариант реализации интегрированной системы на производстве

Структура АСУ ТП ¡ Как правило, АСУ ТП предприятия представляет собой двухуровневую систему управления. На нижнем уровне расположены контроллеры, обеспечивающие первичную обработку информации, поступающей непосредственно с объектов управления, и отслеживающие нарушения технологического процесса, так называемые аварийные состояния. Обычно контроллеры не имеют средств визуализации, кроме локальных средств индикации малой информационной емкости, и средств взаимодействия с оператором. Основу ПО контроллеров составляют программы на технологических языках типа языка релейно-контактных схем и функциональных блоковых диаграмм. ¡ На верхнем уровне АСУ ТП размещаются мощные компьютеры, выполняющие функции серверов баз данных и рабочих станций и обеспечивающие хранение и анализ всей поступившей информации за любой заданный интервал времени, а также визуализацию информации и взаимодействие с оператором. Основой ПО верхнего уровня являются пакеты SCADA (Supervisory Control and Data Acquisition).

Обобщенная схема АСУТП ¡ В качестве интерфейсной шины применяется промышленный Ethernet

SCADA-системы SCADA (сокр. от англ. Supervisory Control And Data Acquisition) — диспетчерское управление и сбор данных. ¡Основные задачи, решаемые SCADA-системами: ¡Обмен данными с УСО (устройства связи с объектом, то есть с промышленными контроллерами и платами ввода/вывода) в реальном времени через драйверы. ¡Обработка информации в реальном времени. ¡Отображение информации на экране монитора в понятной для человека форме (HMI сокр. от англ. Human Machine Interface — человеко-машинный интерфейс). ¡Ведение базы данных реального времени с технологической информацией. ¡Аварийная сигнализация и управление тревожными сообщениями. ¡Подготовка и генерирование отчетов о ходе технологического процесса. ¡Осуществление сетевого взаимодействия между SCADA ПК. ¡Обеспечение связи с внешними приложениями (СУБД, электронные таблицы, текстовые процессоры и т. д. ). В системе управления предприятием такими приложениями чаще всего являются приложения, относимые к уровню MES ¡SCADA-системы позволяют разрабатывать АСУ ТП в клиент-серверной или в распределенной архитектуре (DCS сокр. от англ. Distributed Control System — распределённая система управления). ¡Иногда SCADA-системы комплектуются дополнительным ПО для программирования промышленных контроллеров.

Пост управления чистовой группой клетей стан 2000 ОАО «Северсталь» ¡ Оператор за работой

Пост управления чистовой группой клетей стан 2000 ОАО «Северсталь» (рабочее место вальцовщика)

Модель поста управления ¡ ¡ Модель главного поста управления в 3 DS MAX Слева место оператора; справа вальцовщика

Реализация органов управления технологическим процессом в зависимости от его специфики ¡ ¡ Органы управления динамичных процессов обычно реализуются в виде пультов управления на которых размещены кнопки, джойстики и переключатели; Органы управления инерционных процессов зачастую реализованы непосредственно в графической оболочке SCADA-системы (также как и управление настроечными операциями)

Структура типовой локальной системы автоматического регулирования по отклонению (локальный контур регулирования) Задатчик Энергия Р ¡ ИМ Вещество РО ОУ Д Р- регулятор; ИМ- исполнительный механизм; РО- регулирующий орган исполнительного механизма; ОУ- объект управления; Д-датчик.

ТОУ ¡ Технологический объект управления (ТОУ) – это совокупность технологического оборудования и реализованного на нем технологического процесса. возмущение вход ТОУ выход управление Управление формируется ЛПР (оператором) или вышестоящей системой Вход – это то, что влияет на процесс, но не может быть изменено Возмущения-воздействия влияющие на процесс, но не измеряемые Выходы -комплекс характеристик, которые определяют качество продукции, производительность и др. показатели эффективности производства