Автоматизированные системы управления технологическими процессами

№1

Введение.

Рис.1. – Информационно-управляющая структура предприятия

§1. Общие сведения о предприятии.

Основной задачей любого промышленного предприятия является наиболее рациональная и экономически эффективная организация выпуска необходимой обществу продукции. Совокупность взаимосвязанных процессов, в результате которых исходное сырье или материалы превращаются в тот или иной вид продукции, принято называть производственным процессом. Основой производственного процесса является технологический процесс. Характеристики и особенности основных ТП предприятий химии во многом определяет не только организацию соответствующих производственных процессов, но и специфику предприятия в целом.

К производственным процессам предприятия относятся: организация и управление ходом производства, его обеспечение необходимыми ресурсами (материальными, энергетическими, трудовыми), транспортировка продукции (задачи логистики), техническое обслуживание и ремонт оборудования.

В химии и нефтехимии ТП обычно реализуются на одном агрегате (установке), группе взаимосвязанных агрегатов или технологической линии. Производственные процессы охватывают как технологические, так и организационные аспекты производства и реализуются в рамках специально образованных подразделений (цех, производство, например, транспортный цех, тепло-, водоснабжения цех и т.д.)

Согласованная работа и оперативная координация этих подразделений осуществляется оперативно-диспетчерской службой предприятия (ОДС). С помощью этой службы реализуются связи между оперативным персоналом цехов или производств и отдельными функциональными отделами (ФО) управления предприятия. При этом связи оперативно-диспетчерской службы с производственным и плановым отделами обеспечивают возможность оперативного планирования и управления основной производственной деятельности, а связи с цехами и производствами позволяют реализовать функции оперативно-диспетчерского управления и оперативного учета.

§2. Краткая характеристика предприятия.

Под производственной структурой предприятия понимают принятый состав исходных элементов (агрегатов, установок, цехов, производств), обеспечивающих целенаправленную производственную деятельность предприятия, способы их взаимного соединения и существующие между ними связи. В большинстве случаев эти связи отражают материальные и энергетические потоки. К материальным потокам относятся: сырье, полуфабрикаты, готовая продукция. К энергетическим – электроэнергия, пар, газ, вода.

Совокупность цехов, вырабатывающих основной целевой продукт, включая крупные хранилища и склады, связанные соответствующими материальными потоками, и обслуживающий их персонал называется основное производство.

Кроме цехов, образующих основное производство, на предприятии химии, нефтехимии располагается множество вспомогательных или подсобных цехов, образующих вспомогательное производство. Например: обслуживающие основное производство ремонтные подразделения, транспорт, энергетические цехи, службы КИПиА, цехи подсобного производства, изготавливающие тару, инструмент и т.д.

Производственная структура является одной из основных характеристик предприятия и во многом определяет способы управления этим объектом.

Для разных отраслей промышленности характерны различные, наиболее часто применяемые схемы производства и, следовательно, различные структуры с последовательным, параллельным или смешанным соединением отдельных элементов. В частности, для нефтеперерабатывающих предприятий характерна лучеобразная конфигурация, отражающая основной технологический процесс: разделение нефти на соответствующие компоненты в результате ее первичной переработки с последующим получением из них различных продуктов путем смешения. Для предприятий химической отрасли сложно указать единую усредненную структуру (как правило, смешанная структура).

Рис. 2. Упрощенная производственные структуры предприятий нефтепереработки и химии: 6 – первичная обработка нефти; 7 – вторичная переработка нефти; 8 – цехи смешения нефтепродуктов; 9 – аммиачное; 10 – минеральных удобрений; 11 – крупнотоннажные агрегаты химических производств; 12 – хлорное; 13 – продуктов органического синтеза.

Предприятия химической промышленности различаются не только производственной структурой, но и по характеру выпускаемой продукции, типу технологического процесса, объему производства, организационной структуре и ряду других признаков. По размеру предприятия могут быть крупными, средними, мелкими. Размер производства определяется объемом производства, числом работающих, стоимостью основных фондов, занимаемой территорией и т.д.

Для предприятий химической отрасли целесообразно выделить следующие три группы: 1. крупные предприятия или производственные объединения; 2. предприятия средней мощности; 3. вновь создаваемые предприятия с агрегатами большой единичной мощности.

Сложному производственному комплексу, которым является современное промышленное предприятие, требуется организованная соответствующим образом система управления. Содержание и взаимосвязи системы, элементами которой являются отдельные должностные лица или группы лиц, осуществляющие организацию труда и управление производством, называют организационной структурой.

Для большинства химических/нефтехимических предприятий наиболее характерна цеховая организация производства. При этом цехи – это обособленные участки производства, осуществляющие законченный производственный процесс и имеющие, как правило, не только производственную, но и определенную административно-хозяйственную самостоятельность. На крупных предприятиях группы технологически связанных цехов часто объединены в отдельные производства.

Рис 3. Упрощенные организационные структуры.

ПРИМЕРЫ: Ангарский нефтехимический комбинат, «Аурат» - производство коагулянтов, агрегат большой мощности – паровая турбина.

Частное определение: под уровнем управления в организационной структуре предприятия понимаются должностные лица или группы лиц, которые:

1. образуют принятые в пределах утвержденной структуры организационные формы (цех, производство, отдел, служба и т.д.);

2. выполняют регламентированные соответствующими инструкциями функции по контролю и управлению объектом – структурной частью предприятия;

3. обладают определенной самостоятельностью, правами и обязанностями, необходимыми для выполнения этих функций;

4. имеют необходимую информацию определенные возможности для принятия и реализации тех или иных решений в сфере их деятельности.

Применительно к организационным и функциональным аспектам предприятия можно выделить три основных уровня управления: верхний уровень – уровень предприятия, средний уровень – управление производствами или крупными цехами, нижний уровень – управление отдельными агрегатами, технологическими установками.

Верхний уровень образуется руководством предприятия и его функциональными отделами, в т.ч. диспетчером предприятия; средний – руководителем производств, заводов или крупных цехов, входящих в состав предприятия и диспетчерским персоналом соответствующих производственных единиц; нижний – оперативными руководителями (старшими операторами, начальниками смен) первичных производственных ячеек (агрегатов, установок), входящих в состав цехов (производств или непосредственно подчиняющихся верхнему уровню управления.)

Таким образом, общую задачу управления можно сформулировать как обеспечение наиболее эффективного ведения производственно-экономического процесса выработки и реализации предусмотренного планом количества продукции заданной номенклатуры при условии выполнения ряда ограничений и с учетом возмущений, действующих на предприятие.

Как правило, при решении такой задачи осуществляется ее разбиение на ряд более простых и легко реализуемых задач.

Интегрированная система управления предприятием (ИСУП) – это набор интегрированных приложений, которые комплексно, в едином информационном пространстве поддерживают все основные аспекты управленческой деятельности предприятия – планирование ресурсов (материальных, трудовых, финансовых) для производства товаров / услуг, оперативное управление выполнения планов (включая снабжение, сбыт, ведение договоров), все виды учета, ведение хозяйственной деятельности. Также ИСУП – это централизация данных в единой базе, близкий к реальному времени режим работы, сохранение общей модели управления для предприятий любых отраслей, поддержка территориально распределенных структурных единиц предприятия.

№2

Автоматизированные системы управления технологическими процессами

В иерархии производственных и организационных отношений, характерных для предприятий химии/нефтехимии, технологические агрегаты, установки, в отдельных случаях цехи и соответствующие им системы управления занимают нижний уровень управления.

Объектом управления (ОУ) в АСУ агрегатами и установками является технологические процессы переработки исходного сырья в готовый продукт. Поэтому сам объект называется технологическим объектом управления (ТОУ), а система, созданная для управления им – автоматизированной системой управления технологическими процессами (АСУ ТП).Основной задачей АСУ ТП является управление технологическим режимом работы в целом, включая стабилизацию или оптимизацию отдельных параметров или режима его работы, выработку необходимых управляющих воздействий и их реализацию. Кроме того, под АСУ ТП понимаются человеко-машинные системы, в состав которых входят определенные свойства вычислительной техники.

Основные функции систем.

Под функцией системы понимают совокупность действий, направленных на достижение некоторой частной цели управления, что определяется особенностями и требованиями объекта.

Все многообразие функций АСУ ТП делят на информационные, управляющие и вспомогательные.

АСУ с информационными функциями обеспечивают пользователей необходимой информацией о состоянии и характеристиках управляемого объекта. В этом случае основными задачами являются: 1. сбор необходимой информации с отдельных точек ТО и ее централизованная обработка по алгоритмам системы. При этом под централизованной обработкой информации понимают сравнение значений отдельных параметров с принятыми уставками, сигнализацию, а иногда и регистрацию отклонений параметра от нормы, измерение и/или регистрацию по вызову оператора отдельных параметров процесса, вычисление, а при необходимости и регистрацию ряда комплексных показателей, включающих технико-экономические, характеризующие ход и эффективность функционирования объекта (еще: сигнализация аварийных или предаварийных ситуаций).

К управляющим функциям относятся определение и реализация на объекте управляющих воздействий, выработанных системой управления. К таким функциям относят изменение режима по заданным программам, определение и установление оптимального значения отдельных параметров или оптимизацию процесса в целом по некоторым критериям, управление пуском и остановом агрегатов и др.

К вспомогательным функциям АСУТП относят самоконтроль отдельных узлов или всей системы в целом и др. здесь надо написать про самодиагностику тса, что-нибудь про базы данных и т.д.

Функции связи с системами вышестоящего уровня. При этом в общем случае можно говорить как об информационных (передача необходимой информации снизу вверх), так и об управляющих функциях (передача заданий, управляющих воздействий сверху вниз).

Выполнение отдельных функций в АСУТП распределяется между людьми, обслуживающих систему (оператором-технологом, оператором ЭВМ, иногда программистом) и техническими средствами (ПК). В разных АСУТП это распределение осуществляется различными путями. При непосредственном цифровом управлении контроллер выдает управляющее воздействие (ИМ) на исполнительные органы, а оператор осуществляет лишь контроль ее работы. При распределении функций необходимо руководствоваться спецификой объекта и решаемых задач.

При реализации функции на объекте получается определенный результат, воспринимаемый пользователями системы – оперативным персоналом, обслуживающим данный объект («потребительская» ценность функции).

Виды обеспечения систем.

Функции системы раскрывают ее внешние «потребительские» возможности, а для описания внутренних взаимосвязей и возможностей АСУТП используют понятия функционального, алгоритмического, программного, информационного, технического и организационного обеспечения.

Рис.4. Взаимосвязь между видами обеспечений систем

(где ФУО – функциональное обеспечение; ТО – техническое обеспечение; АО – алгоритмическое обеспечение; ИО – информационное обеспечение; ПО – программное обеспечение;

ОО – организационное обеспечение)

Характер ФУО и АО в значительной степени зависит от объекта управления (далее – ОУ). В первом случае определяющими являются указанные выше функции и связи между ними (при этом говорят о функционально структуре); во втором – принятые методы решения задачи, определенные правила, очередность действия или даже инструкции, изложенные на формализованном языке математических соотношений.

Характер ПО и ТО в большей мере связан с типом применяемого ПК. Различают общее и специальное ПО. Общее ПО представляет собой часть ПО системы, связанную с функционированием самого вычислительного комплекса. Специальное ПО включает программы, реализующие выбранные функции системы, и разрабатываются на базе общего ПО, замыкая смысловую последовательность связей от объекта через алгоритмы и программы к вычислительной машине системы. В состав ТО входят различные технические средства получения, сбора, передачи, отображения и воспроизведения информации.

ИО представляет собой совокупность форм документов, классификаторов, нормативной базы и реализованных решений по объемам, размещению и формам существования информации, применяемой в АС при ее функционировании.

ОО регламентирует действия оперативного персонала в условиях работы АСУ и оформляется в виде соответствующей документации (приказы, распоряжения, должностные инструкции и т.д.)

Указанные виды обеспечения являются основными компонентами любой АСУ. Применительно к АСУТП особенно важным и трудоемким являются: в процессе разработки системы – алгоритмы и специальное программное обеспечение (в особенности применительно к управляющим функциям), при реализации на объекте – ИО и ТО, а в процессе промышленной эксплуатации – ТО и в наибольшей степени – ПО.

№3

SCADA – системы.

Этапы развития АСУТП:

• Первый этап отражает внедрение систем автоматического регулирования (САР). Объектами управления на этом этапе являются отдельные параметры, установки, агрегаты; решение задач стабилизации, программного управления, слежения переходит от человека к САР. У человека появляются функции расчета задания и параметры настройки регуляторов.
• Второй этап - автоматизация технологических процессов. Объектом управления становится рассредоточенная в пространстве система; с помощью систем автоматического управления (САУ) реализуются все более сложные законы управления, решаются задачи оптимального и адаптивного управления, проводится идентификация объекта и состояний системы. Характерной особенностью этого этапа является внедрение систем телемеханики в управление технологическими процессами. Человек все больше отдаляется от объекта управления, между объектом и диспетчером выстраивается целый ряд измерительных систем, исполнительных механизмов, средств телемеханики, мнемосхем и других средств отображения информации (СОИ).
• Третий этап - автоматизированные системы управления технологическими процессами - характеризуется внедрением в управление технологическими процессами вычислительной техники. Вначале - применение микропроцессоров, использование на отдельных фазах управления вычислительных систем; затем активное развитие человеко-машинных систем управления, инженерной психологии, методов и моделей исследования операций и, наконец, диспетчерское управление на основе использования автоматических информационных систем сбора данных и современных вычислительных комплексов.

Современная АСУТП (автоматизированная система управления технологическим процессом) представляет собой многоуровневую человеко-машинную систему управления. Создание АСУ сложными технологическими процессами осуществляется с использованием автоматических информационных систем сбора данных и вычислительных комплексов, которые постоянно совершенствуются по мере эволюции технических средств и программного обеспечения.

Рис. 5 – деление АСУТП на подуровни

От этапа к этапу менялись и функции человека (оператора/диспетчера), призванного обеспечить регламентное функционирование технологического процесса. Расширяется круг задач, решаемых на уровне управления; ограниченный прямой необходимостью управления технологическим процессом набор задач пополняется качественно новыми задачами, ранее имеющими вспомогательный характер или относящиеся к другому уровню управления.

Диспетчер в многоуровневой автоматизированной системе управления технологическими процессами получает информацию с монитора ЭВМ или с электронной системы отображения информации и воздействует на объекты, находящиеся от него на значительном расстоянии с помощью телекоммуникационных систем, контроллеров, интеллектуальных исполнительных механизмов.

Основой, необходимым условием эффективной реализации диспетчерского управления, имеющего ярко выраженный динамический характер, становится работа с информацией, т. е. процессы сбора, передачи, обработки, отображения, представления информации.

SCАDA (Supervisory Control And Data Acquisition - диспетчерское управление и сбор данных) – система отображения информации о ходе технологического процесса, с помощью которой оператор может видеть состояние объекта и управлять им.

Функции SCADA:

1. сбор первичной информации от устройств нижнего уровня;
2. обработка первичной информации;
3. регистрация событий и исторических данных;
4. визуализация информации в виде мнемосхем, графиков и т.п.
5. автоматизированная разработка, дающая возможность создания ПО системы автоматизации без реального программирования;
6. средства исполнения прикладных программ;
7. хранение информации с возможностью ее последующей обработки (как правило, реализуется через интерфейсы к наиболее популярным базам данных).

Примеры SCADA – систем:

InTouch (Wonderware, USA);

WinCC (Siemens, Germany);

Factory Link (USA);

Genesis (USA);

Trace Mode (AdAstra, РФ);

LabView (NI, USA);

ClearSCADA (Control Microsystems, Canada).

Критерии оценки SCADA – систем:

• технические характеристики;
• стоимостные характеристики;
• эксплуатационные характеристики.

К техническим характеристикам SCADA-систем относятся:

1. Программно-аппаратные платформы для SCADA-систем. Подавляющее большинство SCADA-систем реализовано на MS Windows платформах.
2. Имеющиеся средства сетевой поддержки. Желательно, чтобы она поддерживала работу в стандартных сетевых средах (ARCNET, ETHERNET и т.д.) с использованием стандартных протоколов (NETBIOS, TCP/IP и др.), а также обеспечивала поддержку наиболее популярных сетевых стандартов из класса промышленных интерфейсов (PROFIBUS, CANBUS, LON, MODBUS и т.д.).
3. Встроенные командные языки. Большинство SCADA-систем имеют встроенные языки высокого уровня, VBasic-подобные языки.
4. Поддерживаемые базы данных.
5. Графические возможности. Функционально графические интерфейсы SCADA-систем весьма похожи. Используемая векторная графика дает возможность осуществлять широкий набор операций над выбранным объектом, а также быстро обновлять изображение на экране, используя средства анимации.

При оценке стоимости SCADA-систем нужно учитывать следующие факторы:

• стоимость программно-аппаратной платформы;
• стоимость системы;
• стоимость освоения системы;
• стоимость сопровождения.

К группе эксплуатационных характеристик можно отнести:

• удобство интерфейса среды разработки - " Windows - подобный интерфейс", полнота инструментария и функций системы;
• качество документации - ее полнота, уровень русификации;
• поддержка со стороны создателей - количество инсталляций, дилерская сеть, обучение, условия обновления версий и т. д.

Разработка системы контроля и управления, которая включает следующие этапы:

• Разработка архитектуры системы автоматизации в целом. На этом этапе определяется функциональное назначение каждого узла системы автоматизации.
• Решение вопросов, связанных с возможной поддержкой распределенной архитектуры, необходимостью введения узлов с " горячим резервированием" и т.п.
• Создание прикладной системы управления для каждого узла. На этом этапе специалист в области автоматизируемых процессов наполняет узлы архитектуры алгоритмами, совокупность которых позволяет решать задачи автоматизации.
• Приведение в соответствие параметров прикладной системы с информацией, которой обмениваются устройства нижнего уровня (например, программируемые логические контроллеры - ПЛК) с внешним миром (датчики технологических параметров, исполнительные устройства и др.)
• Отладка созданной прикладной программы в режиме эмуляции.

Отличия SCADA-систем.

1. По разработке отдельных функций:

· мощность векторной графики, которая используется для построения мнемосхем, многообразие динамических элементов, наличие многооконного режима;

· возможность импорта, экспорта графических изображений в стандартных форматах;

· возможность работы с мультимедиа сообщениями: наличие речевого сигнализатора, возможность выдачи в окно видеокадра изображений от телевизионных систем;

· наличие и мощность арифметических, логических и управляющих модулей, которые позволяют без программирования проводить типовую обработку информации;

2. По открытости SCADA-систем:

· наличие типовых протоколов для связи с оборудованием различных производителей;

· наличие протоколов для работы с программными средствами различных производителей;

3. По визуализации отдельных функций:

· возможное число измеряемых величин, которые можно вынести на графики (тренды);

· точность считывания отображаемых на графиках величин для задаваемых моментов времени;

· наличие ограничений, накладываемых SCADA на число архивируемых переменных и на число динамических переменных на одной мнемосхеме;

· защита от несанкционированного доступа к рабочей станции оператора;

· особенности диагностики состояния связи рабочей станции оператора с контроллерами и другими станциями операторов.

SCADA-системы состоят из двух частей: 1-я – среда разработки; 2 - я – среда исполнения. Эти две части взаимозависимы: привязка возможностей, которые закладываются в среде исполнения, осуществляются посредством среды разработки.

№4

Автоматизированные системы управления производствами.

План лекции: