Типовая структура АТК

ЛЕКЦИОННЫЙ МАТЕРИАЛ

Дисциплина АТК 4307 «Автоматизация технологических комплексов»

Модуль ASUTP 34 «Автоматизированные системы управления

технологическими процессами»

Специальность 5В070200 «Автоматизация и управление»

Факультет заочно-дистанционной формы обучения

Кафедра Автоматизации производственных процессов

Лекция 1

Введение. Типовая структура АТК. Современное состояние и перспективы развития средств АТК

План лекции

1. Цель и задачи дисциплины

2. Основные формы и этапы автоматизации

3. Типовая структура АТК

4. Краткий исторический обзор. Современное состояние и перспективы развития средств автоматизации технологических комплексов

5. Связь дисциплины с другими дисциплинами специальности

Цель и задачи дисциплины

Целью изучения данной дисциплины является формирование специальных знаний, умений, навыков и компетенций применительно к конкретной сфере профессиональной деятельности.

К задачам дисциплины относятся:

- изучение физических основ и теории методов построения систем автоматизации и управления технологических комплексов различных объектов и процессов;

- ознакомление с основными направлениями развития технических средств систем автоматизации и управления;

- приобретение практических навыков выбора, расчета и применения промышленных приборов и средств автоматизации и управления.

1.2 Основные формы и этапы автоматизации

Различные производственные процессы могут иметь различные уровни автоматизации. Так, при частичной автоматизации автоматизированы отдельные машины, механизмы и участки технологического процесса. При комплексной автоматизации автоматизируются основные участки производства. В случае же полной автоматизации должны быть автоматизированы все основные и вспомогательные участки технологического процесса, по сути автоматизации подвергается все технологическое оборудование, машины и механизмы.

Основными формами автоматизации являются:

технологическая сигнализация,

дистанционное управление,

автоматические защита, блокировка и контроль,

автоматическое регулирование и управление.

Автоматическое регулирование и управление является наиболее сложной и совершенной формой автоматизации.

Типовая структура АТК

Любой современный технологический комплекс следует рас­сматривать как автоматизированный технологический комплекс (АТК). В соответствии с технологическим процессом работа АТК определяется задающей программой. Осуществляются: контроль и регулирование электромагнитных, механических, технологи­ческих переменных, показателей качества готовой продукции (пе­реработанного вещества); автоматическая оптимизация обобщен­ных показателей качества работы АТК; контроль состояния элек­тротехнического, механического и технологического оборудова­ния.

В общем виде задача АТК заключается в преобразовании ис­ходного вещества в готовую продукцию (переработанное веще­ство) (рисунок 1.1) на основе получения от технологической среды информации в виде задающей программы и энергии Р.

Рисунок 1.1

Издержки функционирования АТК в виде таких вредных вли­яний на среду, как искажение параметров сети электроснабжения, искажение информации, электромагнитные поля должны быть сведены к допустимому по стандартам минимуму, а техно­логические отходы переработаны в полезную продукцию. Гото­вая продукция должна соответствовать требованиям стандарта по качеству, производиться за минимально короткое время при ми­нимальном потреблении энергии.

Функциональная схема современного АТК приведена на рисунке 1.2.

Исполнительные механизмы оснащаются индивидуальными электроприводами с электродви­гателями М, управляемыми преобразователями УП, програм­мируемыми микроконтроллерами приводов КП. Совместную ра­боту приводов и механизмов, входящих в состав технологичес­кого агрегата, координирует технологический программируемый микроконтроллер КТ. Координацию совместной работы агрега­тов технологического комплекса выполняет один из микроконт­роллеров КТ или специализированный персональный компью­тер ПК, входящий в состав станции оператора СО.

Через магис­тральный преобразователь МП осуществляется связь АТК с рас­пределенной системой управления технологическим процессом. Микроконтроллеры (далее контроллеры) взаимодействуют че­рез коммуникационную связь, структура которой в соответствии с существующими стандартами по индустриальным сетям средств вычислительной техники может быть различной. Контроль агре­гатов и управление ими могут осуществляться с периферийных пультов операторов ПО.

Рисунок 1.2. Функциональная схема современного АТК

Контроллер привода осуществляет: управление силовой частью УП;

регулирование момента электродвигателя, скорости и положе­ния механизма;

программно-логическое управление пуском, остановом и ре­жимом рабочего функционирования привода;

автоматическую настройку регуляторов в режиме наладки; контроль состояния и диагностирования неисправностей в ком­понентах электропривода;

защиту и сигнализацию электропривода. Технологический контроллер обеспечивает: выработку заданий на КП в соответствии с координированной работой приводов агрегата;

программно-логическое управление пуском, остановом и ре­жимом рабочего функционирования агрегата; регулирование технологических переменных; контроль состояния и диагностирования неисправностей в ком­понентах агрегата.

Компьютерные системы управления электроприводами, ме­ханизмами, технологическими агрегатами и комплексами вы­полняются по единой идеологии с гибким варьированием ап­паратных и программных средств. В общем случае в состав сис­тем входят: программируемые контроллеры, модули интеллек­туальной периферии, системы визуализации и обслуживания, средства коммутаций, программаторы (ПГ), персональные ком­пьютеры.

Контроллеры могут иметь разную конструкцию, но всегда пре­дусматривается возможность варьирования их конфигураций бла­годаря применению устройств расширения и периферийных мо­дулей. Основой контроллера является центральный блок, содер­жащий центральный процессор и блок питания. В зависимости от задач автоматизации на системной шине контроллера могут мон­тироваться различные периферийные модули: цифровых и анало­говых вводов/выводов, предварительной обработки сигналов, ком­муникационных процессоров. Предусматривается возможность ва­рьирования разных типов центральных процессоров, блоков пи­тания, периферийных модулей. Для объектов, требующих повы­шенной надежности работы, используются контроллеры, состоя­щие из двух или трех центральных блоков с процессорами резер­вного действия. Программа пользователя для таких контроллеров такая же, как и для обычных.

Модули интеллектуальной периферии решают специальные задачи пользователя по измерению, оценке, регулированию, ста­билизации, позиционированию и др. Они «интеллектуальны», так как -обладают собственными процессорами и решают само­стоятельно в реальном времени специализированные задачи уп­равления. Их периферийность определяется тем, что с управляе­мым процессом они непосредственно связаны через собствен­ные вводы/выводы, благодаря чему центральный процессор не перегружается и за необходимое время выполняет собственные задачи.

Системы визуализации и обслуживания включают в себя сред­ства от простых дисплеев до информационных систем. Получили распространение следующие системы:

панели оператора, предназначенные для отображения управля­емого процесса, ввода и вывода данных и наладки; содержат дисп­леи и клавиатуру, конструктивно размещенные в одном корпусе;

программируемые терминалы, представляющие собой элект­ролюминесцентные графические терминалы с активным экраном, на котором можно гибко менять клавиатуру;

локальные системы визуализации и обслуживания с различ­ными функциональными возможностями и интегрированные в дру­гие системы (представляют собой автоматизированные рабочие места АРМ на базе ПК);

центральные системы визуализации и обслуживания с высо­кими функциональными возможностями, расширяющимися от АРМ до скоординированных многопользовательских и многотер­минальных систем.

Программаторы и ПК используются в системах визуализации и обслуживания, а также для подготовки, отладки и записи про­грамм в контроллеры. В соответствии с задачами программно-ло­гического и непрерывного управления, диагностирования, конт­роля состояния функциональных узлов оборудования, отображе­ния информации об управляемом процессе имеется стандартное программное обеспечение в виде функциональных блоков, обес­печивающих решение частных задач и органично встраиваемых в программы пользователя.

Программы-драйверы решают задачи сопряжения контроллеров со стандартной периферией, другими контроллера­ми и компьютерными средствами автоматизации в коммуникаци­онной сети.

В функциональные блоки входят программные пакеты, реали­зующие типовые функции, например:

арифметические, тригонометрические, логарифмические, по­казательные, обработки логических цепей, преобразования мас­сивов данных и др.;

регулирования электромагнитных, механических и технологи­ческих переменных; реализации стабилизирующего, следящего, каскадного, модального и адаптивного управления; коррекции и компенсации нелинейностей; сглаживания; реализации непрерыв­ных, шаговых и импульсных регуляторов;

наблюдения, отображения и обслуживания для локальных и центральных систем; выдачи важных сообщений о процессе и об ошибках; группирования сообщений и отображения обобщенных сообщений; включения прерывистой и непрерывной световой и звуковой сигнализации;

предварительной обработки сигналов в виде подготовки дан­ных, обработки сообщений и прерываний, счета, дозирования, измерения скорости, пути, температуры и др.;

служебные для обмена данными между центральным процес­сором контроллера и модулями коммутационного процессора; предварительной обработки сигналов и памяти;

имитации объекта управления и отработки алгоритмов управ­ления.

1.4 Краткий исторический обзор. Современное состояние и перспективы развития средств АТК

Начальным этапом развития средств автоматизации является создание простейших автоматов. Первые сведения об автоматах появились в начале нашей эры в работах Герона Александрийского, который создал пневмоавтомат для открывания дверей храма, автомат для продажи «священной» воды и др.

В средние века развивалась «андроидная» автоматика, когда искусные механики создавали автоматы, подражающие отдельным действиям человека. Развитие также получили различные автоматы на основе часовых механизмов.

На рубеже XVIII-XIX в.в., в эпоху промышленного переворота в Европе, начинается новый этап развития автоматики, связанный с ее внедрением в промышленность. К первым промышленным автоматическим устройствам относятся регулятор уровня воды парового котла И.И.Ползунова (1765 г.), регулятор скорости паровой машины Дж. Уатта (1784 г.), система программного управления от перфоленты ткацким станком Жаккара (1804-1808 г.г.) и т.д. В этот период начинает развиваться и теория автоматических систем. Формируется ряд важнейших принципов автоматики: принцип регулирования – стабилизации по отклонению Ползунова-Уатта, принцип регулирования по возмущению Понселе-Чиколева.

Впервые глубокое теоретическое исследования систем автоматического регулирования с учетом нелинейных факторов было выполнено английским физиком Максвеллом, который получил условия устойчивости из анализа линеаризованных уравнений и поставил перед математиками проблему определения устойчивости линейных систем произвольной размерности. Следующий этап в исследованиях автоматических систем связан с именами И.А.Вышнеградского, А.Стодолы, Э.Рауса, А.Гурвица, Н.Е.Жуковского, А.М.Ляпунова, П.Л.Чебышева, В.А.Стеклова, А.Н.Крылова.

Бурное развитие науки и техники в XX веке обусловило и качественный скачок как в исследованиях автоматических систем (Х.Найквист, А.В.Михайлов, В.В.Солодовников, А.Пуанкаре, В.Оппельт, А.Н.Колмогоров, В.С.Пугачёв, Н.Винер, Р.Беллман, Р.Калман, И.А.Вознесенский, Н.Н.Лузин и др.), так и в развитии элементов и устройств автоматизации (полупроводниковые приборы, технологии интегральной микросхемотехники, ЭВМ, микропроцессорные и компьютерные средства автоматизации и т.д.).

Современными тенденциями развития в автоматизации технологических комплексов являются широкое применение ЭВМ (промышленных контроллеров, компьютеров) для управления, создание машин и оборудования со встроенными микропроцессорными средствами измерения, контроля и регулирования, переход на децентрализованные (распределенные) структуры автоматизированных систем управления технологическими процессами (АСУ ТП) с микроконтроллерами, внедрение человеко-машинных систем, автоматизированное проектирование систем управления и др.