17) Автоматизированные системы управления технологическими процессами

 

Автоматизированные системы управления технологическими про­цессами (АСУ ТП) отличаются от систем централизованного конт­роля значительно более широким диапазоном автоматизируемых функций управления. Кроме централизованного контроля АСУ ТП выполняют следующие основные функции: определяют оптималь­ный технологический режим, удовлетворяющий выбранному критерию; формируют и реализуют управляющие воздействия, обеспе­чивающие ведение оптимального режима; корректируют математи­ческую модель объекта при изменениях на объекте; рассчитывают и регистрируют текущие и обобщенные технологические и экономиче­ские показатели; оперативно распределяют материальные потоки и энергию между технологическими агрегатами и участками; опера­тивно распределяют вспомогательные механизмы и ремонтные сред­ства; оперативно корректируют суточные и сменные плановые за­дания по выпуску продукции.

Перечисленные функции могут быть реализованы, как правило, при использовании ЭВМ. Поэтому наличие ЭВМ в контуре управле­ния    процессом   считается одной   из  основных   отличительных черт АСУ ТП. В зависимости от способа включения ЭВМ в контур управления можно выде­лить пять типов структур АСУ ТП, различающихся характером функций уп­равления. Рассмотрим их.

ЭВМ в режиме сбора и обработки данных. На рис. 11.6 показана структура системы сбора и обработки информации, построенная на основе ЭВМ. Параметры технологических процессов ТП, измеренные датчиками Д, преобразуются в цифро­вую форму средствами со­пряжения и вводятся в ЭВМ. После обработки в ЭВМ оперативная информация о ходе процесса поступает на средства отображения технологических параметров; статистическая информация, пред­назначенная для регистрации, а также вычисленные экономические и технологические показатели печатаются в виде отчета (документа), а данные, которые в дальнейшем могут использоваться в вычисле­ниях, обычно фиксируются на машинных носителях — перфолен­тах, перфокартах, магнитных дисках и т. п.

Системы сбора и обработки данных выполняют в основном те же функции, что и системы централизованного контроля, и являются более высокой ступенью их организации. Поэтому отличия между этими системами носят преимущественно качественный характер. ЭВМ предоставляет широкие возможности для математической об­работки данных. В частности, сравнение текущих значений парамет­ров с их максимально и минимально допустимыми значениями, принятое при централизованном контроле, можно дополнить более сложными с математической точки зрения процедурами прогнози­рования характера изменения параметров. На основе прогноза оператор имеет возможность так воздействовать на процесс, чтобы не допустить существенного изменения параметров, которое снижает качество выпускаемого продукта. Для выбора рационального тех­нологического режима часто требуются показатели, которые не измеряются непосредственно на объекте, а рассчитываются с при­влечением справочных и нормативных данных. К таким показате­лям относятся себестоимость выпускаемого продукта, обобщенные характеристики качества и др. ЭВМ позволяет рассчитывать эти показатели в реальном времени и предоставлять их оператору и технологу, что значительно повышает оперативность формирова­ния управляющих воздействий.

Система сбора и обработки информации функционирует следую­щим образом. Математическое обеспечение ЭВМ состоит из библио­теки рабочих программ, каждая из которых выполняет одну или несколько функций централизованного контроля, и программы-диспетчера. 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 сигна­лом прерывания, который воспринимается и отрабатывается спе­циальной подпрограммой программы-диспетчера. Сигнал прерыва­ния может поступить от датчиков, установленных на технологиче­ском оборудовании, если появляется информация, требующая вне­очередной обработки и передачи оператору (аварийные остановки оборудования, резкое изменение состояния объекта управления), а также от оператора, которому требуются дополнительные сведения о процессе. Общение между оператором и ЭВМ ведется в режиме «запрос—ответ». Поэтому в составе математического обеспечения ЭВМ имеются программы-трансляторы для перевода с языка, на котором формулирует запрос оператор, на машинный язык. Есть также трансляторы для перевода с машинного языка на язык пред­ставления информации оператору, который не обязательно совпа­дает с языком запроса.

Наиболее современным средством связи оператора с ЭВМ, а также средством представления информации оператору является дисплей. Через клавиатуру дисплея оператор может передать запрос, а на экране получить ответ в любой удобной для восприятия форме. Такими формами могут быть сообщение, сформулированное на есте­ственном человеческом языке, сообщение в табличной форме или форме графика, мнемосхема, на которой мигающими символами обо­значены места, требующие повышенного внимания, или в цифровом виде указаны значения технологических параметров в определен­ных узлах схемы. В тех случаях, когда требуется придать большую информативность мнемосхеме, используют дисплеи с цветным изоб­ражением.

Системы сбора и обработки информации используются при упра­влении технологическими и производственными процессами в тех случаях, когда существуют причины, по которым определение тех­нологического режима и формирование управляющих воздействий должны выполнять люди. Наиболее частой причиной является слож­ность процесса, не позволяющая удовлетворительно описать его математической моделью, формально поставить и решить задачу управления.

ЭВМ в режиме советчика. В таких системах кроме сбора и обра­ботки информации выполняются следующие функции: определение рационального технологического режима по отдельным технологи­ческим параметрам или всему процессу в целом; определение упра­вляющих воздействий по всем или отдельным управляемым пере­менным процесса; определение значений уставок локальных регу­ляторов.

В системах-советчиках данные о технологическом режиме и управляющих воздействиях поступают через средства отображения информации в форме рекомендаций оператору, который может при­нять или отвергнуть их. Решение оператора основывается на соб­ственном понимании хода технологического процесса и опыте упра­вления им. Схема системы-советчика совпадает со схемой системы сбора и обработки информации (рис. 11.6). Существуют разные спо­собы организации функционирования системы-советчика. В одних случаях вычисления управляющих воздействий производятся вся­кий раз, когда фиксируется отклонение параметров процесса от заданного технологического режима. Процесс вычисления иници­ируется программой-диспетчером, которая содержит подпрограмму анализа состояния процесса. В других случаях вычисления упра­вляющих воздействий инициируется оператором в форме запроса. При этом оператор имеет возможность ввести необходимые для рас­чета дополнительные данные — информацию, которую невозможно получить путем измерения параметров процесса или содержать в системе как справочную или нормативную, так как она носит качественный характер. Например, в ходе процесса может возник­нуть необходимость либо пожертвовать качеством выходного про­дукта и при этом выполнить задание по количеству, либо умень­шить количество, но при этом сохранить заданное качество, т. е. требуется выбрать критерий, на основе которого будут опре­деляться технологический режим и воздействия. Делая выбор критерия, оператор может руководствоваться огромным числом различных факторов, часть из которых невозможно выразить формально.

В тех случаях, когда дополнительные данные разнообразны, а объем их достаточно велик, общение оператора с ЭВМ строится в форме диалога, который может быть организован, например, сле­дующим образом. В алгоритм вычисления технологического режима или воздействия включаются альтернативные узлы, т. е. такие точки, после которых процесс вычисления может продолжаться по одному из нескольких различных вариантов. Если логика алгоритма при­водит процесс вычисления к альтернативному узлу, расчет преры­вается и оператору посылается просьба о сообщении определенной дополнительной информации, на основе которой выбирается один из альтернативных путей продолжения расчета.

Системы-советчики применяются в тех случаях, когда требуется осторожный подход к решениям, выработанным формальными ме­тодами, что связано с неопределенностью в математическом описа­нии управляемого процесса. Неопределенность выражается в раз­личных формах. Наиболее часты следующие:

математическая модель недостаточно полно описывает процесс, так как связывает лишь часть управляющих и управляемых пере­менных процесса;

математическая модель адекватна процессу лишь в узком интер­вале изменения технологических параметров (например, в случае замены существенно нелинейных функциональных зависи­мостей их линейным прибли­жением);

критерии управления но­сят качественный характер и существенно изменяются в зависимости от большого чи­сла внешних факторов.

Неопределенность описа­ния может быть как вынуж­денной, отражающей плохую изученность сложного про­цесса, так и преднамеренной, вызванной тем, что реализа­ция полной и адекватной мо­дели требует применения крупной дорогостоящей ЭВМ, что в конкретном случае не оправдывается экономически.

ЭВМ в режиме супервизорного управления. АСУ ТП, функцио­нирующая в режиме супервизорного управления, представляет со­бой двухуровневую иерархическую систему (рис. 11.7). Нижний уровень, непосредственно связанный с процессом, образуют локаль­ные регуляторы Р отдельных технологических параметров. На верх­нем уровне управления установлена ЭВМ, основной функцией которой является определение оптимального технологического ре­жима и вычисление на его основе значений настроек (уставок) локальных регуляторов. Входной информацией для вычисления уста­вок являются, во-первых, значения некоторых управляемых пара­метров, измеряемые датчиками Д_у регуляторов, во-вторых, конт­ролируемые параметры состояния процесса, измеряемые датчи­ками Д_к. Оператор с пульта управления имеет возможность вводить дополнительную информацию, в частности изменять ограничения на управляемые и управляющие переменные, уточнять критерий управления в зависимости от внешних факторов.

Возможны два варианта реализации супервизорного управления: с математической моделью и без нее. Если имеются достаточно адек­ватная модель процесса и критерий управления (целевая функция), то вычисление уставок регуляторов может быть организовано как решение задачи оптимального управления. В тех случаях, когда из-за сложности процесса или из-за экономической нецелесообраз­ности модель процесса не строится, управление можно организо­вать как процесс экспериментального поиска экстремума целевой функции управления, когда оптимальный технологический режим ищется методом проб.

Супервизорный режим позволяет осуществлять автоматическое управление процессом. Роль оператора сводится к наблюдению за процессом и, в случае необ­ходимости, к корректировке цели управления и ограниче­ний на переменные.

ЭВМ в режиме непосредст­венного цифрового управле­ния. В отличие от супервизорного управления при непо­средственном цифровом управ­лении управляющие воздей­ствия рассчитываются ЭВМ и передаются непосредствен­но на исполнительные орга­ны. Режим непосредственного цифрового управления позво­ляет исключить локальные регуляторы с задаваемой ус­тавкой. На рис. 11.8 показана структура АСУ ТП с ЭВМ в режиме непосредственного управления. Как и при супервизорном управлении, здесь функции оператора заключаются в наблюдении за процессом и в его кор­ректировках в случае необходимости.

Иерархические системы управления. Если одноуровневая струк­тура АСУ ТП не обеспечивает требуемого режима функционирова­ния сложного технологического объекта, то систему управления можно построить как многоуровневую — в виде отдельных подси­стем, между которыми установлены отношения соподчинения. Каждая подсистема имеет ЭВМ, работающую в одном из описанных выше режимов. На рис. 11.9 представлен вариант трехуровневой АСУ ТП. Функции управления могут быть распределены между уровнями, например, следующим, образом. Первый (нижний) уро­вень управления состоит из шести подсистем, непосредственно управляющих технологическими операциями. Второй уровень обра­зует две подсистемы, функциями которых являются расчет и опе­ративная корректировка режимов технологических операций. Тре­тий уровень управления представляет собой центральную управ­ляющую подсистему, решающую задачи расчета и оперативной кор­ректировки технологического режима всего процесса в целом. Функции управления могут быть распределены между уровнями и по-другому, однако, как правило, для всех иерархических систем характерно, что по мере продвижения от нижних уровней к верх­ним информация о состоянии технологического объекта обобщается, а управляющие воздействия относятся к более крупным частям тех­нологического процесса. Заметим, что описанная выше АСУ ТП в ре­жиме супервизорного управления может рассматриваться как двух­уровневая иерархическая система.

 

 

Рассмотрены пять типов структур АСУ ТП, различающихся спо­собом включения ЭВМ в контур управления. Три последних типа структур полностью исключают оператора из основного контура управления, поэтому системы, построенные на их основе, можно отнести к классу автоматических. В настоящее время автоматиче­ское управление удается осуществить на сравнительно простых технологических объектах. Для сложных процессов на крупных производственных комплексах строятся системы управления, соче­тающие описанные способы включения ЭВМ в контур управления. Такая система разделяется на подсистемы, для каждой из которых в зависимости от возможностей ее математического описания и экономической целесообразности выбрана определенная структура. Комплекс подсистем можно реализовать либо на одной ЭВМ, раз­деляющей время между подсистемами, либо на нескольких ЭВМ, каждая из которых обслуживает соответствующую подсистему, либо на вычислительной сети, состоящей из большого числа мини- или микро-ЭВМ.

Важной составной частью АСУ ТП, во многом определяющей ее функциональные возможности, является математическое обеспече­ние, которое можно разделить на функциональное и общесистемное. Функциональное математическое обеспечение образуется комплек­сом программ, непосредственно выполняющих функции управле­ния данным процессом. Функциональные программы либо разра­батываются индивидуально для конкретного процесса, либо исполь­зуются типовые программы. Общесистемное математическое обеспе­чение в сочетании со специальными аппаратными средствами позволяет управлять ресурсами ЭВМ, осуществлять общение опера­тора и ЭВМ, использовать стандартные программы при решении функциональных задач, выполнять диагностирование элементов ЭВМ. В современной терминологии общесистемное математическое обеспечение принято называть операционной системой (ОС). Компо­нентами ОС являются четыре комплекса программ: управление ресурсами; программные средства общения оператора и ЭВМ; диаг­ностические программы; стандартные программы. Охарактеризуем функции этих комплексов программ.

Управление ресурсами. ЭВМ располагает ресурсами четырех видов: временем центрального процессора, памятью, внешними устройствами и программным обеспечением.

Время центрального процессора распреде­ляется между функциональными программами путем переключения с одной программы на другую, которое выполняется либо по зара­нее составленному расписанию, либо без него. Расписание строится на основании требований к управлению технологическим процес­сом и представляет собой порядок и время выполнения функцио­нальных программ. Переключение без расписания происходит под действием сигналов прерывания, источниками которых могут быть технологический процесс и оператор. Сигнал прерывания от про­цесса подается в том случае, если требуется срочное воздействие на процесс. Это может произойти, например, при отклонении какого-либо технологического параметра на недопустимую или аварийную величину. Прерывание с пульта оператора связано с необходимо­стью получить или ввести какую-либо информацию, произвести внеочередной расчет технологического режима и т. п.

Получив сигнал прерывания, ОС останавливает выполнение те­кущей программы, но таким образом, чтобы в дальнейшем можно было вернуться к ее выполнению в том месте, где она была прер­вана. Затем специальная программа операционной системы иден­тифицирует сигнал прерывания, т. е. определяет, какие действия нужно осуществить в ответ на данный сигнал. Такими действиями могут быть внеочередное выполнение одной из функциональных программ, выполнение какой-либо служебной программы, напри­мер программы диагностирования, и т. п. После выполнения дей­ствий, связанных с отработкой сигнала прерывания, система должна возвратиться к работе по расписанию. Заметим, что расписание регламентирует лишь выполнение функциональных программ, при­чем оно может требовать одновременного выполнения нескольких программ, что можно осуществить лишь при мультипрограммиро­вании и режиме разделения времени.

Дисциплина использования ресурсов в этих режимах планиру­ется и реализуется ОС. Функцией ОС является также планирова­ние и реализация действий в конкурентных ситуациях. Один из видов конкурентной ситуации возникает, когда несколько программ одновременно претендуют на один и тот же ресурс. Другой вид конкуренции связан с одновременным поступлением в систему нескольких различных сигналов прерывания. ОС строит свои дей­ствия в конкурентных ситуациях на основе критериев и приорите­тов, заданных заранее программистом. Наиболее часто используе­мыми критериями являются минимум времени выполнения всех программ, находящихся в очереди, и максимум эффективности использования оперативной памяти. Приоритеты, как правило, приписывают каждому сигналу прерывания. На основе этих прио­ритетов ОС строит дисциплину обработки прерываний.

Средства общения оператора и ЭВМ. Кроме аппаратных средств для обеспечения общения оператора с вычислительной системой требуется комплекс специальных программных средств. Как сле­дует из описанных выше функций оператора технологического про­цесса, его диалог с ЭВМ сводится к запросу определенной инфор­мации с указанием вида, в котором он хочет ее получить (на экране дисплея, на пишущей машинке и т. п.), и к передаче определенных команд, касающихся управления технологическим процессом. Обычно оператор является специалистом в данном технологическом процессе, но об ЭВМ и программировании имеет лишь общие пред­ставления. Поэтому организовывать общение с использованием алгоритмических языков программирования практически невоз­можно, так как это потребует переподготовки оператора, а значит чрезвычайно увеличит стоимость и сложность внедрения АСУ ТП.

Для общения оператора и ЭВМ разрабатывается специальный язык, состоящий из ограниченного набора команд, представляю­щих собой слова естественного языка. Команды вводятся через кла­виатуру пишущей машинки или дисплея, а в некоторых случаях используется и речевой ввод. В специально оборудованных пультах введение команды может осуществляться нажатием клавиши, на которой имеется определенная команда (например, запустить агре­гат №..., остановить агрегат №..., рассчитать себестоимость продукта за сутки и т. п.). Функциями программных средств обще­ния являются перевод языка оператора на машинный язык, интер­претация команды, а затем совместно с другими программами ОС планирование и реализация действий, требуемых данной командой.

Диагностические программы. Главная цель диагностики — по­вышение эксплуатационной надежности АСУ ТП за счет быстрого обнаружения нарушения нормального функционирования ЭВМ и отыскания отказавшего элемента. Существуют различные стратегии диагностирования. Например, диагностические программы, опреде­ляющие нарушение функционирования, могут быть внесены в рас­писание выполнения программ. Если нарушение обнаружено, фор­мируется сигнал прерывания, который активизирует соответствую­щие программы, отыскивающие причину отказа и информирующие персонал, обслуживающий ЭВМ. Однако такая стратегия диагно­стирования не всегда приемлема, так как при обнаружении наруше­ния может потребоваться передача большей части ресурсов ЭВМ диагностическим программам, что неприемлемо с точки зрения управления технологическим процессом. Поэтому существуют дру­гие стратегии диагностирования, в которых вопрос передачи тех или иных ресурсов диагностирующим программам решается сов­местно оператором и персоналом, обслуживающим ЭВМ.

Стандартные программы. Хотя каждая АСУ ТП имеет ряд спе­цифических черт и поэтому носит индивидуальный характер, во многих из них требуется проведение стандартных технических расчетов и операций над данными. Поэтому в составе ОС существует библиотека стандартных программ, не предназначенных непосред­ственно для выполнения операций управления. Библиотека исполь­зуется программистами при создании функциональных и служеб­ных программ АСУ ТП.