Цели, задачи и принципы построения автоматических систем управления

Данный режим используется в тех случаях, когда реализация непосредственного управления ЭВМ технологическим процессом конструктивно сложна и экономически невыгодна, а также в том случае, когда технологический процесс содержит много трудноуловимых нюансов.

 

 

 

                        U1                                                                     Y1

                                           

                        Un                                            Yn

 

Рисунок 1.4 - Структура АСУ ТП в информационном режиме

 

 

- Режим супервизорного управления.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 1.5 - Структура АСУ ТП В режиме супервизорного управления

 

 

Супервизор – название основной программы ЭВМ.

Основная особенность супервизорного режима работы АСУ ТП – автоматическое управление локальными (местными, отдельными) регуляторами с помощью ЭВМ. В таких системах контур управления замкнут через ЭВМ, и функция оператора сводится к общему наблюдению за ходом процесса. Вмешательство требуется лишь для коррекции управления процессом (например, при изменении сырья или состава вырабатываемой продукции) и при возникновении непредвиденных (аварийных), ситуаций.

При выходе ЭВМ из строя замкнутая система с помощью локальных регуляторов продолжит работать, значения уставок на регуляторе будут зафиксированы  и равны последним значениям, рассчитанным в ЭВМ. В дальнейшем уставки могут изменяться оператором вручную.

Данная схема используется при управлении ответственными технологическими агрегатами, аварии на которых могут повлечь тяжелые последствия или причинить крупный ущерб.

Применение локальных регуляторов и ЭВМ в одной системе управления повышает её надежность, но усложняет её и увеличивает стоимость.

- Режим непосредственного управления. В таких АСУ ТП сигналы, использованные для приведения в действие ИМ, поступают непосредственно от ЭВМ, и соответствующие локальные регуляторы в системе управления отсутствуют. ЭВМ в этом режиме программно реализует выбранный закон регулирования, рассчитывает управляющие воздействия и обеспечивает передачу их ИМ РО. Функции оператора заключаются в контроле за работой системы.

Преимущество: высокое быстродействие, реализация сложных законов управления.

Недостаток: меньшая надёжность.

 

Рисунок 1.6 - Структура АСУ ТП В режиме непосредственного управления

 

 

В АСУ сложными технологическими процессами ЭВМ может работать одновременно в нескольких режимах. Для одних параметров выполняются только информационные функции, для других – супервизорный режим, для третьих непосредственное управление.

 

 

1.8 Алгоритмизация задач АСУ ТП

 

 

Алгоритмическое обеспечение АСУ ТП можно разбить на 4 группы:

а) Алгоритмы сбора и первичной обработки информации.

б) Алгоритмы специального математического обеспечения (интегрирование, сравнивание, извлечение корня при измерении расхода и т.п.).

в) Алгоритмы вывода информации.

г) Алгоритмы общесистемного обеспечения (алгоритмы работы операционной системы).

 

1.8.1 Алгоритмы сбора информации определяют последовательность сбора и записи информации в соответствующие разделы памяти. Периодичность опроса зависит от характера изменения технологического параметра, а приоритет – от технологической значимости. Порядок опроса может быть жестким, то есть будет производиться в строгой последовательности; или адаптивным, например, если значения какого-то параметра близки к аварийным, они будут запрашиваться и вводиться в память в первую очередь.

Первичная обработка информации включает в себя:

- Тарирование (масштабирование) аналоговых сигналов. Целью тарирования является получение функциональной зависимости между выходным сигналом датчика и реальным значением технологического параметра. Пусть xmax, xmin ,xи – максимальное, минимальное и измеряемое значения выходного сигнала датчика x(t), а ymax, ymin – максимальное и минимальное значения диапазона измерения датчика в реальных единицах  y(t) приведённого в соответствие к xmax и xmin, тогда величина КТ = называется коэффициентом тарирования и определение значения технологического параметра y(t) в соответствующих единицах измерения осуществляется по формуле:

 

                                        y(t) = KT (xи - xmin) + y0,                                      (1.1)

 

где y0 – смещение, то есть начальное  значение технологического параметра.

 

Тарировочная функция в виде программного блока закладывается в память ЭВМ и является частью общего алгоритма обработки информации. Значение технологического параметра в реальных единицах, вычисленное ЭВМ с помощью тарировочной функции используется при дальнейшей работе основной программы.

Пример:

Температура в термокамере измеряется с помощью термоэлектрического преобразователя имеющего предел измерения от 300 до 1000 ºC и выходной сигнал  в виде унифицированного сигнала от 4 до 20 мА. Тарировочная функция = T(I)  будет иметь вид Т(I) = ·(xи – 4) + 300 ºС = 43,75*I + 300 ºC. Для любого значения тока мы можем определить реальное значение температуры.

Для точки I = 10 мА; Т = 562,5 ºC.

 

- Контроль достоверности служит для выявления грубых ошибок в исходных данных. Проверка может осуществляться на диапазон достоверности:

 

                                            xmin ≤ x(t) ≤ xmax                                                 (1.2)

 

или на скорость изменения параметра:

 

                               Δxmin ≤ [xi(t)- xi-1(t)] ≤ Δxmax.                                         (1.3)

 

На случай недостоверности для расчёта могут быть приняты предыдущие значения (среднее, граничное и т.п.). В том случае, если часто регистрируются недостоверные значения, управляющая система выдаёт сигнал об аварии и/или останавливает технологический процесс.

- Фильтрация используется для уменьшения или исключения случайных помех, шумов и посторонних сигналов, влияющих на результаты измерений технологических параметров.

Обычно полагают, что результат измерения Y(k) представляет собой полезный сигнал X(k) и аддитивную помеху Z(k), то есть:

 

Y(k) = X(k) + Z(k).                                                                                       (1.4)

 

Источниками помех в АСУ ТП могут быть электромагнитные наводки, вибрация, турбулентность потоков, собственная погрешность датчиков и т.д.

К простейшим фильтрам можно отнести следующее:

а) Алгоритм обработки совокупности измерений

ХФ(i) = X(k), где ХФ(i) – выход фильтра.

Фактически он вычисляет среднее арифметическое значений входного сигнала. Алгоритм применим если Х – постоянная величина.

б) Рекуррентный алгоритм

ХФ(i) = ХФ(i-1) + [ХФ(i) - ХФ(i-1)]

в) Фильтр «скользящего» (текущего) среднего

ХФ(i) = Х(j)

При этом усредняется К последних измерений сигналов.

г) Экспоненциальный фильтр

Аппаратным аналогом является известная RC-цепь

Алгоритм работы рассмотренных фильтров реализуется в виде программного блока (или подпрограммы) в составе основной управляющей программы АСУ.

 

1.8.2 Алгоритмы вывода информации определяют последовательность операций при выводе информации на устройства отображения, печатающие устройства, обмен информацией с АСУ ТП более низкого или более высокого уровня, последовательность вывода управляющих воздействий на исполнительные механизмы.

Последовательность алгоритмов обработки информации можно представить в виде схемы, представленной на рисунке 1.7.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 1.7 - Последовательность алгоритмов обработки информации в АСУ ТП

 

 

1.9 Структурно – функциональная схема КТС (комплекса технических средств) АСУ ТП

 

Структурно-функциональная схема КТС представлена на рисунке 1.8.

 

Рисунок 1.8 - Структурно-функциональная схема КТС

 

АЛУ – арифметико-логическое устройство

ЭнОЗУ – энергонезависимое ОЗУ, предназначенное для хранения наиболее важных технологических и системных параметров и данных в случае отключения, пропадания питания.

ППЗУ -перепрограммируемое (постоянно-переменное) запоминающее устройство, предназначенное для хранения временно-постоянных параметров.

СПУ – системное периферийное устройство (регистрирующие, отображающие, печатающие)

УС с СПУ – устройство сопряжения с СПУ

МС – межмашинные, межсистемные модули связи

ПУ – пульт управления

ОУ – органы управления

МВВД - Модули ввода дискретных сигналов

 

 

 

Рисунок 1.9 – Модули ввода дискретных сигналов

Кросс (клеммник, монтажная плата и т.п.) служит для согласования выходов датчика с последующими устройствами.

НП (нормирующий преобразователь) служит для усиления (ослабления), фильтрации, преобразования сигнала одного рода в другой (например, пневматического в электрический и т.п.).

Счетчик используется для многократного опроса датчика за определенный момент времени.

МвывД - Модули вывода дискретных сигналов

 

                                            

                         

                                                                                          

                                                                                                    к ИМ

                                                                                                                                  

 

                                          1Р1

Рисунок 1.10 – Модули вывода дискретных сигналов

 

РВ – регистры временного хранения, служат для промежуточного хранения данных

УСГР – устройства согласования и гальванической развязки.

МВВА - Модули ввода аналогового сигнала

 

 

 

 

 

Рисунок 1.11 - Модули ввода аналогового сигнала

 

Гальваническая развязка цепей – гальваническое разделение внешних цепей и цепей управления внешними устройствами от выходных модулей ЭВМ и контроллеров, для избежания негативных последствий неисправностей внешних цепей (короткое замыкание, искры, разностные потенциалы).

В составе канала дискретного вывода могут быть  использованы разные  типы ключей (релейные, полупроводниковые).

 На практике в АСУ ТП используются аналоговые сигналы постоянного тока 0-5 мА, 0-20 мА, 4-20 мА и сигналы напряжения постоянного тока

±0-10 мВ, ±0-50 мВ, ±0-100 мВ, ±0-1В, ±0-1,25В, ±0-5В, ±0-10В одно- и двуполярные, при этом ЭВМ и встраиваемые модули типа PCL-карт работают только с сигналами напряжения постоянного тока.

МвывА - Модули вывода аналоговых сигналов

 

                                                                                                                                к ИМ