Министерство образования и науки Российской Федерации
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
«Пермский национальный исследовательский политехнический университет»
Кафедра автоматизации технологических процессов и производств
Стафейчук Б.Г.
АВТОМАТИЗАЦИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ
И ПРОИЗВОДСТВ
Учебное пособие для студентов
Направление 220300 – Автоматизированные технологии и производства
Специальность 220301 – Автоматизация технологических процессов и производств (АТП)
Специализация 210201 – Автоматизация химико-технологических процессов
и производств
Специализация 210263 – Автоматизация технологических процессов
и производств в нефтепереработке и нефтехимии
Направление подготовки бакалавров техники и технологии 220200(550200)
- Автоматизация и управление
Очное и заочное обучение
Факультет химико-технологический
Методическое пособие рассмотрено и одобрено на заседании кафедры Автоматизация технологических процессов и производств (АТП) 30.09.2011 г., протокол № 2.
Заведующий кафедрой д-р техн. наук, проф. ____________ А.Г. Шумихин
Пермь 2011 г.
СОДЕРЖАНИЕ
Предисловие………………………………………………………………......... 4
1. Основные понятия и определения.…………………………..……..….…… 5
2. Управление современным промышленным производством. Основные этапы и задачи автоматизации технологических процессов…………………... 13
2.1 Характеристика производственного предприятия и производственного процесса…………………………………………………………………………. 13
2.2. Стадии разработки систем автоматизации…………………………….… 19
2.3. Анализ технологического процесса как объекта управления………….. 22
2.4. Особенности математических моделей ТОУ……………………………. 25
3. Автоматизация технологических процессов с применением локальных средств регулирования. Базовые автоматические системы управления……. 32
3.1. Основные типовые алгоритмы регулирования, реализуемые промышленными контроллерами…………………………………………………………… 34
3.1.1. Аналоговые автоматические регуляторы……………………………..... 34
3.1.2 Стандартные алгоритмы цифровых контроллеров.……………………. 40
3.1.3. Обобщенный линейный алгоритм регулирования…………………….. 44
3.2. Методы настройки локальных АСР………………………………………. 46
3.3. Итерационные методы автоматизированной настройки действующих промышленных систем управления…………………………………………… 49
3.4. Расчет настроек позиционных систем регулирования………………….. 56
3.5. Схемные методы улучшения качества регулирования технологических объектов управления…………………………………………………………… 61
3.5.1. Каскадные системы регулирования…………………………………….. 62
3.5.2. Системы регулирования с дифференциатором………………………... 64
3.5.3. Системы регулирования с компенсацией возмущений……………….. 66
3.5.4. Взаимосвязанные системы регулирования…………………………….. 70
3.5.4.1. Системы несвязного регулирования…………………………………. 72
3.5.4.2. Системы связанного регулирования (автономные АСР)……………. 74
3.5.4.3. Оценка связности подсистем в статике………………………………. 76
4. Регулирование основных технологических параметров………………….. 79
4.1. Регулирование расхода……………………………………………………. 79
4.2.Регулирование уровня…………………………………………………….... 83
4.3. Регулирование давления…………………………………………………... 86
4.4. Регулирование температуры……………………………………................ 87
4.5. Регулирование рН………………………………………………................. 88
4.6. Регулирование параметров состава и качества………………………….. 90
5. Автоматизированные системы управления технологическими процессами………………………………………………………………………………... 92
5.1. Функции и составные части АСУ ТП……………………………………. 93
5.2. Структуры АСУ ТП……………………………………………………….. 99
5.2.1 Централизованные АСУ ТП…………………………………………….. 99
5.2.2. Децентрализованные АСУ ТП………………………………………... 101
5.2.2.1. Концепции построения современных децентрализованных АСУ... 104
5.2.2.2. Основные функции SCADA…………………………………………. 104
5.2.3. Общие требования к системе ПАЗ……………………………………. 107
6. Автоматизация управления на базе программно-технических комплексов…………………………………………………………………………….... 110
6.1. Микропроцессорные программно-технические комплексы децентрализованных АСУ ТП……………………………………………………………….. 110
6.2. Технология автоматизации, основанная на применении полевой шины…..................................................................................................................... 119
7. Информационный обмен данными в системах автоматизации ………… 122
8. Интегрированные системы автоматизации и управления технологическими процессами, производствами и предприятиями……………………………. 134
Список литературы………………………………………………………….. 139
Предисловие
Настоящее пособие составлено применительно к курсу «Автоматизация технологических процессов и производств (АТП и П)», читаемому на Химико-технологическом факультете Пермского ГТУ для студентов специальности 220301 – Автоматизация технологических процессов и производств (АТП) в 8-м семестре. Пособие написано на основе лекций, читаемых автором на протяжении ряда лет. Следует отметить, что продолжением курса АТП и П в учебном плане специальности АТП является дисциплина «Системы автоматизации типовых химико-технологических процессов». Поэтому ряд вопросов теории и практики автоматизации технологических процессов рассматриваются в 9-м семестре.
Цель преподавания дисциплины «Автоматизация технологических процессов и производств» - профессиональное обучение будущего специалиста решению теоретических и прикладных задач автоматизации технологических процессов в различных отраслях промышленности. Формирование у студентов знаний о методах и средствах автоматизации производственных процессов и производств.
В методическом пособии изложены принципы и методы построения систем регулирования и автоматизированных систем управления технологическими процессами (АСУТП). Рассматриваются системы, реализованные на современных технических средствах автоматизации, включая микропроцессорную технику и управляющие вычислительные комплексы. Методическое пособие раскрывает все дидактические единицы Государственного образовательного стандарта.
Содержание Государственного образовательного стандарта по учебной дисциплине Автоматизация технологических процессов и производств:
подготовка технологических процессов и производств к автоматизации: модернизация и механизация оборудования, диспетчеризация; характеристики и модели оборудования; автоматизация технологических процессов на базе локальных средств, выбор, разработка и внедрение локальных автоматических систем; автоматизированные системы управления технологическими процессами, их функции и структуры; автоматизация управления на базе программно-технических комплексов; обоснование и разработка функций системы управления, информационного, математического и программного обеспечения; интегрированные системы автоматизации и управления технологическими процессами, производствами и предприятиями, этапы разработки и внедрения.
1. Основные понятия и определения.
Автоматизация производства – это этап машинного производства, характеризуемый освобождением человека от непосредственного выполнения функций управления производственным процессом и передачей этих функций автоматическим устройствам.
Управление производственным процессом подразумевает целенаправленное воздействие на этот процесс, обеспечивающее оптимальный или заданный режим его работы. Процесс управления складывается из следующих операций: 1) получение информации о фактическом состоянии управляемого технологического процесса (информационный аспект задачи управления); 2) обработка и анализ информации с целью определения необходимого воздействия (алгоритмический аспект задачи управления); 3) осуществление принятого решения, т.е. непосредственное воздействие на процесс (энергетический аспект задачи управления).
Совокупность технологического оборудования и реализованного на нем по соответствующим инструкциям (регламентам) технологического процесса производства целевого продукта образуют понятие технологического объекта управления (ТОУ). Характерная особенность ТОУ – целенаправленное воздействие на объект необходимо выполнять с учетом физических ограничений, определяемых особенностями режимов функционирования технологического объекта. Физические ограничения не могут быть нарушены даже при неправильном выборе управляющих воздействий. Кроме физических принято выделять и условные ограничения, превышение которых не нарушает протекание технологического процесса, но может вызвать существенный ущерб.
Система управления (СУ)– совокупность средств, используемых для управления и персонал, принимающий непосредственное участие в управлении вместе с ТОУ. Эффективность работы системы управления оценивается критериями и показателями, имеющими технологический смысл (температура, качество, количество, себестоимость, выход целевого продукта и т. д.)
Задача, поставленная перед системой управления (постоянство температуры и т.д.) называется целью управления.
Выделяют следующие виды систем управления:
- ручного управления (функции управления выполняет оператор, дистанционное управление);
- автоматического контроля и ручного дистанционного управления (автоматизации подвергаются функции сбора информации);
- частичной автоматизации;
- комплексной автоматизации (кроме обеспечения режима нормальной эксплуатации, реализуются функции и процедуры пуска, останова, аварийного отключения ТОУ);
- полной автоматизации.
Решение проблем автоматизации производственных процессов определяются особенностями развития производства продукции. Современное производство продукции отличается ростом масштабов выпуска, расчленением технологических и производственных функций, усложнением технологических объектов и связей между ними, увеличением числа функций управления и удельного веса стоимости систем управления. Рост потребности как в количественных, так и качественных показателях производства, с одной стороны, и возникновение новых технологических процессов и возможностей их осуществления, с другой стороны, привело к значительному усложнению как самих ТОУ, так и связей между ними. Требование обеспечения наилучшего в каком либо смысле функционирования этих объектов привели к появлению многочисленных дополнительных функциональных устройств. Появление новых технологических процессов, их интенсификация являются результатом научно-технического прогресса не только в данной конкретной области, но связаны с комплексными достижениями в различных областях науки и техники.
Интенсификация технологических процессов, проведение их в режимах близких к критическим, применение агрегатов большой единичной мощности невозможны без подготовки технологических процессов и производств к автоматизации. Как правило, это решается в результате модернизации и механизации оборудования, диспетчеризацией. Усложнение функций управления преодолевается прогрессом в разработке технических средств построения систем управления и совершенствованием алгоритмов управления (новые алгоритмы управления, модернизация традиционных подходов).
Для сложных систем управления при проектировании и реализации целей управления используют системный подход, основанный на следующих положениях:
1). Разработка сложных систем управления проводится путем декомпозиции задачи управления на подзадачи, решаемые соответствующими подсистемами (подсистемы управления в штатном режиме, подсистемы противоаварийной защиты (ПАЗ), подсистемы пуска и останова и т.д.).
2). Каждая из этих подзадач (и соответствующих подсистем) в свою очередь может оказаться сложной. Тогда декомпозиция проводится на еще более низком уровне до тех пор, пока задача управления и соответствующая подсистема не станет простой.
3). Для обеспечения целостности системы после разработки простых подсистем проводится композиция (интеграция) подсистем в единую систему снизу вверх, с последовательной проверкой свойств интегрированных подсистем и системы в целом на соответствие заданным свойствам. При необходимости на каждом шаге интеграции осуществляется моделирование, коррекция, настройка подсистем, и т.д.
В современной истории автоматизации технологических процессов принято выделять следующие этапы её развития.
Автоматизация с помощью локальных АСР. Характерная особенность таких систем: применение простых алгоритмов управления технологическим процессом в режиме нормальной эксплуатации, наличие местных щитов с регуляторами приборного типа. Локальные системы автоматизации развивались до 50-х гг. прошлого века.
Комплексная автоматизация на базе систем централизованного контроля и управления (СЦКУ). Возможность решения задач комплексной автоматизации появилась после того, как в промышленных системах управления стал использоваться унифицированный аналоговый информационный сигнал (УАИС). УАИС позволяет просто передавать, тиражировать, хранить информацию о технологических переменных, решать задачи защиты от помех типовыми способами и т. д. С применением систем централизованного контроля и управления решены проблемы автоматизации агрегатов большой единичной мощности (ТЭС, АЭС, химические предприятия). Комплексная автоматизация включает более широкий круг функций контроля и управления (централизованный контроль, дистанционное управление, автоматическое регулирование, автоматические блокировки и защиты и т.д.). Наиболее интенсивно такие системы управления развивались в 50 -60-е гг. прошлого века.
Унифицированный аналоговый сигнал просто преобразуется в цифровой и с середины 50-х гг. при управлении технологическими процессами стали применяться УВК (управляющий вычислительный комплекс). Характерная особенность УВК определяется тем, что информация в цифровой форме обрабатывается программным способом. Системы управления, содержащие в своем составе УВК, называют АСУ ТП (автоматизированные системы управления технологическими процессами). Современная цифровая автоматизация технологических процессов реализуется в рамках АСУ ТП.
АСУ ТП это частный случай автоматизированной системы управления (АСУ), отличающейся тем, что объектом управления является технологический процесс. АСУ ТП относятся к классу сложных систем, которым присущи следующие черты: наличие у всех элементов общей цели; системный характер реализуемых алгоритмов обмена и обработки информации; большое количество входящих в систему функциональных подсистем.
Напомним, что АСУ это человеко-машинная система, обеспечивающая автоматический сбор и обработку информации, необходимую для оптимального управления в различных областях человеческой деятельности. При этом в АСУ максимально используются возможности основных ее элементов – людей и машин.
В химической промышленности 1-ая ЭВМ, используемая для управления полимеризационным агрегатом нефтеперегонного завода в г. Порт – Артур (шт. Техас) появилась в 1956 г. (RW-300). Система контролировала 26 материальных потоков, температуру в 72 точках и химический состав трех смесей. Ее основными функциями были: минимизация давления в реакторе, установление оптимального режима на выходе пяти реакторов, управление подачей горячей воды в зависимости от каталитической активности и поддержание оптимальной рециркуляции.
АСУ – это эргатическая система. Присутствие человека-оператора (лица принимающее решение - ЛПР) в этой системе определяется следующими причинами:
сложность и малоизученность ТОУ, что не позволяет получить достаточно полную его математическую модель, следовательно, и разработать формализованные алгоритмы управления;
отсутствие технических средств, необходимых для реализации всех функций управления в полном объеме;
технико-экономической целесообразностью;
Таким образом, в АСУ ТП оператор исполняет роль эксперта.
Совместно функционирующие ТОУ и управляющая им АСУ ТП образуют автоматизированный технологический комплекс (АТК).
Структурная схема комплекса технических средств (КТС) локальной системы автоматического контроля и регулирования представлена на рис.1.1. В локальных системах информация передается в форме сигнала, который не подвергается процедуре унификации. Такой сигнал не тиражируется, плохо защищен от помех.
Структура комплекса технических средств системы централизованного контроля и регулирования (системы комплексной автоматизации) отображена на рис. 1.2. Принципиальная особенность структуры: наличие унифицированного сигнала как основного средства передачи и преобразования информации в системе.
Если задача автоматизации решается в рамках АСУ ТП с централизованной структурой, то состав КТС отражает следующая схема на рис 1.3.
Здесь:
1 – подсистема дистанционного управления;
2 – подсистема логического управления;
3 – подсистема авторегулирования;
4 – индивидуальные вторичные измерительные приборы;
5 – устройство отображения информации;
6 – пульт оператора;
7 – вычислительный комплекс, управляющий компьютер;
8 – вышестоящая АСУ.
В зависимости от типа выбранных средств, вида связей между подсистемами представленную структуру АСУ ТП относят к информационной, супервизорной или непосредственного цифрового управления.
Современные АСУ ТП имеют, как правило, децентрализованную структуру и такие системы управления называют распределенными (РСУ). В распределенных системах управления используется принцип параллельной обработки информации.
В распределенных системах управления, кроме технических средств, характерных для централизованных АСУ ТП, используется ряд принципиально новых устройств систем автоматизации. К ним относятся: магистраль передачи данных, операторская станция, локальная технологическая станция, координирующая технологическая станция. Рассмотрим структуру КТС рис. 1.4 распределенной системы управления.
Рис. 1.4
На рис. 1.4:
МПД – магистраль передачи данных;
ТСПД – терминальная сеть передачи данных;
АС – адаптер связи (сетевая плата);
Пр – процессорные устройства;
ЛТС – локальная технологическая станция;
ОПС – операторная станция;
ДС – дисплейная станция;
КС – координирующая станция;
ПУ – периферийное устройство.
Распределенные системы управления представляют собой некоторое упорядоченное соединение узлов, обменивающихся друг с другом данными о измерениях и управлении с одной стороны, и осуществляющих коммуникацию человека и машины с другой. Узел – коммуникационный элемент, связанный с передающей средой. Каждый узел обладает логическим интеллектом – микропроцессором. Узел имеет интерфейс с передающей средой и поддерживает общий протокол коммуникации. Максимальное число узлов зависит от передающей среды и количества сегментов. Количество абонентов одного сегмента сети зависит от передающей среды и используемого протокола передачи данных.
Для построения РСУ выпускаются комплексы аппаратурных средств, оснащенные широким набором программ (программно – аппаратные комплексы для построения распределенных АСУ ТП).
Основной единицей аппаратуры современного комплекса является станция – оформленный в единой конструкции набор устройств, присоединяемый к сети АСУ ТП, как правило, с одним сетевым адресом. Станции предназначены для выполнения операций, реализующие прикладные функции определенного класса. Выделяют следующие типы станций (ЛТС, ОПС, КС).
Локальная технологическая станция (ЛТС) это техническое средство нижнего уровня управления технологическим процессом и служит для автономного управления некоторым его участком. Вместе с тем подключение станции к общей сети передачи данных РСУ позволяет передавать данные на центральный пункт управления, групповые операторские и координирующие станции. ЛТС это программируемый контроллер, снабженный средствами для работы в составе сети. Первоначально ЛТС ориентировались лишь на определенную область применения, так что в составе комплекса могли присутствовать станции для регулирования непрерывных технологических процессов, для логического управления дискретными ТП, а также станции управления периодическими процессами. Алгоритмическое обеспечение ЛТС позволяет реализовать ПИД-регулирование, каскадные системы, комбинированные системы, ПЛУ (программно-логическое управление).
Благодаря распределенной обработке информации в сети с помощью ЛТС, в оценке работоспособности систем управления используют понятие «живучесть». «Живучесть» более широкое чем «надежность» понятие, определяющее способность сохранения работоспособности системы не только в нормальных условиях эксплуатации, но и при аварийных ситуациях. При этом допускается некоторое ухудшение качества управления.
Операторная станция (ОПС) выполняет функции, относящиеся к более высоким уровням иерархии управления производством: обеспечивая непосредственное управление производственным процессом. Назначение ОПС – связать оператора с объектом и со средствами АСУ ТП, поэтому ОПС оснащаются развитыми средствами вывода информации, которые одновременно позволяют воспринимать управляющее воздействие, исходящее от оператора. Главное средство представления информации оператору это экран дисплея. Информация на экране дисплея представлена в форме видеограмм, отображающих состояние ТП. Принято видеограммы подразделять на стандартные и нестандартные. Нестандартные строятся непосредственно пользователем и индивидуально для конкретного объекта (основой могут быть мнемосхемы). Стандартные видеограммы могут представлять данные в виде таблиц. Обычно видеограммы входят в иерархическую систему (от обзорных до конкретных, детальных).
Координирующие станции (КС): Если сеть ЭВМ нуждается в центральной управляющей ЭВМ, то в ее состав включают КС. Это может быть отдельная конструктивная единица. Эти станции не имеют непосредственной связи с датчиками и исполнительными механизмами, установленными на технологическом объекте, а выходят на объект только через сеть и локальные технологические станции.
Магистраль передачи данных вместе с адаптерами связи образуют БСПД (базовую сеть передачи данных). Процессоры образуют сеть ЭВМ. Периферия системы – ТСПД (терминальная сеть передачи данных). В отличие от централизованной АСУ ТП, принципиально новым является наличие сети ЭВМ.
В комплексах для распределенных АСУ ТП обычно применяют магистраль с последовательной передачей данных. Среда распространения сигнала (физическая линия) витая пара (основной носитель), коаксиальный кабель, оптический кабель.
Дальнейшее развитие распределенных систем управления (DCS) привело к появлению технологии автоматизации «полевая шина» (Fieldbus). Стандарт полевой шины устанавливает требования к открытому цифровому протоколу обмена данными в промышленных СУ.
Современные АСУ ТП в классическом виде представляют собой РСУ и ПАЗ.
Вопросы для самопроверки:
1. Управление технологическим производством. Определение ТОУ.
2. Системы управления производственными процессами. Суть системного подхода при реализации целей управления.
3. Этапы развития систем автоматизации технологических процессов.
4. Что такое АСУ ТП, АТК?
5. Состав технических средств систем управления производственными процессами.