Принципы построения АСУ ТП

Автоматизированная система управления технологическими процессами (АСУ ТП) — это совокупность аппаратно-программных средств, которые осуществляют контроль и управление производственными и технологическими процессами, поддерживают обратную связь и активно воздействующих на ход процесса при отклонении его от заданных параметров, а также обеспечивают регулирование и оптимизацию управляемого процесса.

АСУТП используется для выполнения следующих функций:
• Целевое применение в качестве законченного изделия под определенный объект автоматизации;
• Стабилизация заданных режимов технологического процесса путем измерения и обработки значений технологических параметров, их визуального представления и выдачи управляющих воздействий в режиме реального времени на исполнительные механизмы, как в автоматическом режиме, так и в результате действий технолога-оператора;
• Анализ состояния технологического процесса, выявление предаварийных ситуаций и предотвращение аварий путем переключения технологических узлов в безопасное состояние, как в автоматическом режиме, так и по инициативе оперативного персонала;
• Обеспечение инженерно-технического персонала завода необходимой информацией с технологического процесса для решения задач контроля, учета, анализа, планирования и управления производственной деятельностью.

Уровни АСУТП

АСУТП подразделяется на 4 уровня:
• уровень технологического процесса (полевой уровень);
• уровень контроля и управления технологическим процессом (контроллерный уровень);
• уровень магистральной сети (сетевой уровень);
• уровень человеко-машинного интерфейса (верхний уровень).

Полевой уровень

Полевой уровень формирует первичную информацию, обеспечивающую работу всей АСУТП. На этот уровень адресно поступают и реализуются управляющие воздействия.
Оборудование полевого уровня составляют первичные преобразователи (датчики), исполнительные органы и механизмы.
Датчик - устройство, преобразующее физические параметры технологического процесса в электрические сигналы, поступающие в дальнейшем на контроллер.
Исполнительный орган - орган, воздействующий на технологический процесс путем изменения пропускной способности.
Исполнительный механизм - устройство, преобразующее электрические сигналы в физические воздействия, осуществляющее управление параметрами технологического процесса в автоматическом или ручном режиме.

Контроллерный уровень

Уровень контроля и управления процессом выполняет функции сбора и первичной обработки дискретных и аналоговых сигналов, выработки управляющих воздействий на исполнительные механизмы.
Оборудование среднего уровня составляют программируемые контроллеры, устройства связи и с объектом (УСО), шкафы кроссовые и шкафы с контроллерами и вспомогательными средствами автоматизации и вычислительной техники.
Контроллер - устройство, предназначенное для получения в реальном времени информации с датчиков, преобразования ее и обмена с другими компонентами системы автоматизации (компьютер оператора, монитор, база данных и т. д.), а также для управления исполнительными механизмами.

Сетевой уровень

Уровень магистральной сети является связующим звеном между контроллерами и станциями оператора. Основой этого уровня АСУТП можно считать цифровую промышленную сеть, состоящую из многих узлов, обмен информацией между которыми производится цифровым способом.

Верхний уровень

Уровень человеко-машинного интерфейса, обеспечивающий трудовую деятельность человека-оператора АСУТП в системе «человек-машина» (СЧМ), в иностранной интерпретации «HMI-Human-Mashine-Interface».

Этапы проектирования автоматизированных систем управления технологическим процессом

Процесс создания автоматизированных систем управления технологическим процессом можно разбить на следующие этапы:
а) детализация технических требований на создаваемую диспетчерскую систему контроля и управления;
б) разработка проектно – сметной документации в сокращенном или полном объеме;
в) сбор и изучение исходных данных;
г) составление полного перечня переменных;
д) комплектация системы;
е) разбиение объекта управления на технологические участки и последующая распределение переменных по участкам и группа;
ж) создание базы данных;
и) создание статических частей графических экранов интерфейса оператора;
к) заполнение графических экранов интерфейса оператора динамическими элементами;
л) составление схемы переходов между графическими экранами оператора;
м) составление алгоритмов управления (для всех возможных режимов работы объекта, в том числе аварийного);
н) генерация печатных документов;
п) верификация базы данных;
р) разработка эксплуатационной документации;
с) тестирование системы в автономном режиме (без УСО);
т) монтаж;
у) тестирование системы в рабочем режиме (с УСО);
ф) внедрение, в том числе пусконаладка и обучение персонала.

Принцип работы АСР и законы регулирования

Все процессы управления, и в частности регулирования, имеют общие закономерности, не зависящие от конкретных целей и объектов управления.
Для лучшего понимания, рассмотрим процесс управления на примере процесса регулирования уровня в емкости при произвольно изменяющемся потреблении жидкости.

Регулирование уровня в емкости:
1 - клапан; 2 - емкость; 3 - насос.

Стабилизировать уровень на конкретном заданном значении можно изменением притока в зависимости от отклонения уровня от заданного значения. Примем, что вначале уровень в емкости постоянный и равен заданному. Случайное уменьшение потребления вызовет отклонение уровня выше заданного, и в такой ситуации прикрывают клапан на притоке. При отклонении уровня ниже заданного значения клапан, наоборот, больше приоткрывают.
Этот процесс регулирования также состоит из пяти составляющих. Во-первых, получение информации о заданном значении уровня. В данном случае это значение заранее известно. Во-вторых, получение информации о фактическом уровне, т. е. его измерение. В-третьих, определение величины и знака отклонения уровня от заданного. В-четвертых, установление требуемого изменения притока в зависимости от величины и знака отклонения. В-пятых, изменение притока открытием или закрытием клапана.
В данном примере процесс управления был неавтоматическим: в нем принимал участие человек, в то время как в АСР процесс управления осуществляется автоматически. Так, регулировать уровень в емкости автоматически можно, например, с помощью АСР, показанной на рисунке ниже.

Автоматическое регулирование уровня в емкости:
1 - поплавок; 2 - рычаг; 3 - шток; 4 - клапан.

Поплавок 1 в этой системе перемещается вместе с уровнем, а клапан 4 изменяет расход на притоке. Поплавок связан с клапаном через поворотный рычаг 2 и прикрепленный к нему шток 3.
В такой АСР любое отклонение уровня от заданного, вызванное колебаниями потребления, приведет к перемещению поплавка и связанного с ним клапана. При отклонении уровня выше заданного клапан будет прикрываться, а при отклонении ниже заданного, наоборот, приоткрываться.
Таким образом, в этой системе все указанные составляющие процесса регулирования выполняются автоматически: при отклонении уровня от заданного значения поплавок отклоняет рычаг, а перемещение штока изменяет степень открытия клапана и приводит тем самым к требуемому изменению притока.
Из рассмотренного примера видно, что для управления любым объектом необходимо получить информацию о заданном и фактическом его состоянии, определить отклонение фактического состояния от заданного, и на основе данных параметров выработать целенаправленное воздействие на объект и осуществить его.
В процессе работы системы автоматического регулирования регулятор сравнивает текущее значение измеряемого параметра Х, полученного от датчика Д, с заданным значением (заданием Z) и устраняет рассогласование регулирования e (e=Z-X). Внешние возмущающие воздействия также устраняются регулятором. Структурная схема непрерывного регулятора с аналоговым выходом приведена на рисунке ниже.

Выход Y регулятора (сигнал 0…20мА, 4…20мА, 0…5мА или 0…10В) воздействует через электропневматический преобразователь Е/Р сигналов (с выходным сигналом 20…100кПа) или электропневматический позиционный регулятор на исполнительный элемент К (регулирующий орган).Где:
• Z – сигнал задания (задатчик может быть встроен в регулятор);
• X – регулируемый технологический параметр (переменная);
• е – рассогласование регулятора;
• Д – датчик;
• НП – нормирующий преобразователь (в современных регуляторах является входным устройством);
• Y – выходной аналоговый управляющий сигнал;
• Е/Р - электропневматический преобразователь;
• К – клапан регулирующий (регулирующий орган).

Таким образом любой регулятор имеет два входа (задание и переменная) и один выход (управляющий сигнал).

Типы действия регуляторов

По направлению действия выходного сигнала регуляторы бывают двух типов – прямого или обратного действия.

Законы регулирования

Пропорциональный закон регулирования, П-регулятор

Принцип действия заключается в вырабатывании регулятором управляющего воздействия на объект пропорционально величине ошибки (чем больше ошибка е, тем больше управляющее воздействие Y).
Настроечным параметром будет являться коэффициент усиления (коэффициент пропорциональности) К_Р.

Интегральный закон регулирования, И-регулятор

Управляющее воздействие пропорционально интегралу от ошибки. Настроечным параметром будет являться коэффициент интеграции (время интегрирования) КI.

Пропорционально-интегральный закон регулирования, ПИ-регулятор

ПИ-регулятор представляет собой сочетание П и И регуляторов. Настроечными параметрами будут являться коэффициент интеграции (время интегрирования), коэффициент усиления (коэффициент пропорциональности) К_I и К_Р.

Дифференциальный закон регулирования, Д-регулятор

Д-регулятор генерирует управляющее воздействие только при изменении регулируемой величины. Настроечным параметром будет являться коэффициент дифференциации (время дифференцирования) К_D.

Пропорционально-дифференциальный закон регулирования, ПД-регулятор

ПД-регулятор представляет собой сочетание П и Д регуляторов. Настроечными параметрами будут являться коэффициент дифференциации (время дифференцирования), коэффициент усиления (коэффициент пропорциональности) К_Р и К_D.

Интегрально-дифференциальный закон регулирования, ИД-регулятор

ИД-регулятор представляет собой сочетание И и Д регуляторов. Настроечными параметрами будут являться коэффициент дифференциации (время дифференцирования), коэффициент интеграции (время интегрирования) К_I и К_D.

Пропорционально-интегрально-дифференциальный закон регулирования

ПИД-регулятор представляет собой сочетание П, И и Д регуляторов. Настроечными параметрами будут являться коэффициент дифференциации (время дифференцирования), коэффициент усиления (коэффициент пропорциональности), коэффициент интеграции (время интегрирования) К_I , К_Р и К_D.

Определение параметров объекта управления

Объектом управления называется динамическая система, характеристики которой изменяются под влиянием возмущающих и управляющих воздействий. Объектами управления могут быть механизмы, машины и аппараты, в которых протекают технологические процессы (измельчение, перемешивание, кристаллизация, сушка и т.п.).
Одной из основных характеристик объекта управления является его передаточная функция. Для получения передаточной функции ОУ необходимо изменить на небольшую величину входной параметр ОУ и отслеживать во времени выходной параметр ОУ до тех пор, пока он не примет стабильное неменяющееся значение.

Из переходной функции ОУ можно вычислить следующие характеристики:
1. К - коэффициент усиления ОУ;
2. Т - постоянная времени ОУ (время нарастания);
3. τ - время запаздывания ОУ.
Эти характеристики являются основными и необходимы при выборе и расчете настроечных параметров регуляторов.

Определение направления действия регулятора

Если при увеличении выходного сигнала (управления) переменная и задание то же увеличиваются, то необходимо выбрать обратный регулятор, т. к. направление действие регулятора должно быть противоположно действию процесса.
Если при увеличении выходного сигнала (управления) переменная и задание то же уменьшаются, то необходимо выбрать прямой регулятор, т. к. направление действие регулятора должно быть противоположно действию процесса.

Выбор типа регулятора

Основные области применения типов регуляторов определяются с учетом следующих рекомендаций:
• И–регулятор с статическими ОУ – при медленных изменениях возмущений и малом времени запаздывания (τ/Т< 0,1);
• П–регулятор со статическим и не статическим ОУ – при любой инертности и времени запаздывания, определяемые соотношением τ/Т ≤ 0,3;
• ПИ–регулятор при любой инертности и времени запаздывания ОУ, определяемом соотношением τ/Т ≤ 1;
• ПД и ПИД – регуляторы при условии τ/Т > 0,8 и малой колебательности переходных процессов.