Системы управления технологическими процессами

Системы управления технологическими процессами.

Автоматизация производства является одной из основных составляющих ускорения научно-технического прогресса пищевой промышленности. Основой АСУ ТП пищевой технологии теперь являются функциональные возможности микропроцессорных систем управления, при создании которых ведущую роль занимают такие факторы, как использование принципов интеграции, распределенного управления, программных комплексов. При автоматизации производств пищевой промышленности объектом автоматизации является не отдельный технологический процесс или агрегат, а технологический комплекс (ТК) со сложными взаимосвязями между его подсистемами. Современные системы автоматизации пищевой промышленности на базе микропроцессорных средств обладают широкими функциональными возможностями, усовершенствованными техническими характеристиками, которые обеспечивают повышение надежности (живучести) автоматизированных систем управления пищевой промышленности, их быстродействие, оперативность управления, комфортность работы оператора.

Современный этап автоматизации технологических процессов характеризуется использованием цифровой управляющей техники: микро-ЭВМ - для управления отдельными участками и агрегатами, в том числе промышленными манипуляторами, мини-ЭВМ - для управления технологическим комплексом. Головные образцы АСУ ТП с использованием цифровой управляющей техники созданы на базовых объектах в производстве сахара-песка, сахара-рафинада, растительного масла, маргарина, спирта и других пищевых продуктов. Целевой комплексной программой работ по автоматизации производства и управления в пищевой промышленности определена необходимость широкого тиражирования АСУ ТП. Выполнение этой программы возможно при переходе от индивидуальной разработки каждой системы к индустриальным методам проектирования на основе унифицированных и типизированных элементов.

Вопросы унификации аппаратурной основы АСУ ТП решаются при проектировании компоновкой вычислительных комплексов из набора агрегатных модулей АСВТ-М и СМЭВМ. С целью снижения затрат на компоновку модулей освоены и выпускаются промышленностью фиксированные наборы агрегатных модулей, объединенные в типовые конструктивы (стойки), а также типовые комплексы. Базовые технологические объекты управления (ТОУ) являются наиболее представительными в своих под отраслях, что дает возможность тиражировать АСУ ТП и использовать их опыт внедрения и эксплуатации на многих предприятиях. Разработка головных АСУ ТП в различных подотраслях пищевой промышленности осуществляется на единых методологических и организационных принципах.

АСУ ТП построены по иерархическому принципу, большинство из них содержит два уровня управления:

1 - местные пункты, в которых сосредоточены локальные системы контроля и управления отдельными участками и отделениями, оборудованные устройствами связи с оперативным персоналом АСУ ТП;

2 - центральный пункт управления, осуществляющий контроль и управление ТОУ в целом.

Централизация контроля и управления обеспечила возможность оперативно влиять на технологический процесс, своевременно предотвращать и ликвидировать аварийные ситуации, уменьшить потери сырья, сократить численность обслуживающего персонала.

В АСУ ТП реализованы следующие функции: контроль технологического процесса и состояния оборудования, дистанционное управление оборудованием и запорно-регулирующей арматурой, программное и логическое управление, автоматическое регулирование параметров (в том числе непосредственно от вычислительной машины), защита и блокировка оборудования и технологического процесса, сигнализация о нарушениях технологических режимов, централизованный сбор технологической и оперативно-производственной информации, автоматический контроль, индикация и регистрация информации в цифровой и аналоговой форме, индикация информации по инициативе оперативного персонала, расчет технико-экономических показателей по отдельным участкам технологического процесса и производству в целом, расчет оптимальных режимов ведения технологических процессов, формирование и выдача советов оперативному персоналу, формирование отчетных документов по участкам и ТОУ в целом ежечасно, ежесуточно, ежедекадно и ежемесячно.

В качестве примера рассмотрим структурную схему функциональных подсистем головного образца АСУ ТП сахарорафинадного производства. Из схемы видны основные особенности данной части АСУ ТП, в том числе:

1) наличие в системе обратной связи от управляемых и контролируемых технологических процессов к управляющему вычислительному комплексу (УВК), в состав которого входят управляющая ЭВМ, мнемощит, пульт управления, расположенные в вычислительном центре (ВЦ) и центральном диспетчерском пункте (ЦДП) завода;

2) наличие в системе задач оперативного (в темпе реального времени производства) управления, осуществляемого диспетчером, операторами технологических участков и локальными регуляторами, и перспективного (с учетом использования статистических данных об отклонениях от регламента режимных параметров работы оборудования и экономических показателей производства) управления, осуществляемого главным инженером, главным технологом и главным экономистом завода в порядке устранения «узких мест» производства и повышения его эффективности;

3) использование модулей ввода и вывода информации управляющей ЭВМ для управления мнемощитом;

4) передача выработанных УВК регулирующих воздействий непосредственно из ЦДП в виде изменения заданий регуляторам и операторам технологических участков по соответствующим каналам связи;

5) наличие в составе системы аналоговой, число-импульсной и дискретной информации, поступающей от автоматических датчиков, а также дискретной информации, вводимой из техно-химлаборатории по результатам лабораторных анализов качества сырья, полупродуктов и готовой продукции.

По такому же принципу построены структурные схемы головных образцов АСУ ТП свеклосахарного, маслоэкстракционного, маргаринового, спиртового и других пищевых производств. В ряде случаев, например в АСУ ТП свеклосахарного производства, применяют трехуровневые иерархические структуры, при этом средняя ступень включает системы локальной оптимизации (для диффузии), реализованные с помощью специально используемых ЭВМ. В создаваемых АСУ ТП все шире используются функции, указанные в укрупненном перечне, приведенном в табл. 19-1. В качестве критерия управления производствами в целом принят обобщенный экономический показатель - прибыль предприятия от реализации товарной продукции.

АСУ ТП пищевых производств представляют собой сложные системы и подразделяются на ряд подсистем. Каждая подсистема осуществляет заданные функции контроля и управления ТОУ и имеет автономное техническое, информационное и математическое обеспечение. Так, например, в состав АСУ ТП

сахарорафинадного производства входят три подсистемы, работающие совместно с ЭВМ: подсистема централизованного контроля основных технологических процессов и состояния оборудования; подсистема оптимального управления режимом работы, определяющим производительность завода; подсистема расчета и печати оперативных технико-экономических показателей (ТЭП).

Подсистема централизованного контроля основных режимных параметров и состояния технологического оборудования предназначена для текущего информирования диспетчера и руководства завода о ходе процессов производства с целью принятия оперативных и перспективных мер при недопустимых нарушениях технологического регламента производства по определяющим режимным параметрам и основным видам оборудования. Она предусматривает решение 5 следующих задач:

1) определение, сигнализация и представление на мнемо-щите ЦДП информации о недопустимых отклонениях от регламента 85 режимных параметров технологических процессов (величина рН, расходов, уровней, температур);

2) определение и представление на мнемощите сигналов о работе 20 единиц оборудования (вакуум-аппаратов, центрифуг, насосов, транспортеров);

3) представление на дисплее (станции индикации данных СИД) 12 фрагментов технологической схемы завода с указанием текущих значений основных параметров процессов;

Стадии проектирования и состав проекта

При создании АСУ ТП стадии проектирования и состав проектных материалов определяются нормативными документами, основными из которых являются «Общеотраслевые руководящие методические материалы по созданию и применению автоматизированных систем управления технологическими процессами в отраслях промышленности» (ОРММ-2АСУ ТП) и «Временное положение о порядке создания автоматизированных систем управления технологическими процессами (АСУ ТП) в пищевой промышленности», утвержденное Мин-пищепромом СССР в 1979 г.

Разработка проектов оригинальных АСУ ТП осуществляется по стадиям: разработка технического задания (ТЗ), разработка технического проекта (ТП), разработка рабочего проекта (РП).

На стадии разработки технического задания проводится предварительное обследование автоматизируемого технологического процесса, осуществляются предпроектные научно-исследовательские работы, выполняются эскизная разработка АСУ ТП и оформление всех основных документов технического задания на создание АСУ.

На стадии разработки технического проекта предусматривается выполнение следующих укрупненных этапов: системотехнический синтез АСУ ТП; аппаратурно-технический синтез АСУ ТП; разработка заданий на проектирование в смежных частях проекта оборудования, не выпускающегося серийно, и заявок на разработку новых средств автоматизации; разработка алгоритмов контроля, управления и функционирования АСУ ТП, информационного обеспечения АСУ ТП; согласование смет, ведомостей и при необходимости патентного формуляра; сравнительный анализ разрабатываемой АСУ ТП и расчет ожидаемой экономической эффективности АСУ ТП по проектным данным; оформление технического проекта.

На стадии разработки рабочего проекта разрабатываются рабочая документация на техническое обеспечение системы; составляются заказные спецификации; разрабатывается рабочая документация на программное и информационное обеспечение АСУ ТП и изготовляются специальные программы на машинных носителях информации, разрабатывается эксплуатационная документация АСУ ТП.

Проектирование повторно реализуемых АСУ ТП выполняется в одну стадию с выпуском техно рабочего проекта (ТРП). При выполнении ТРП разрабатывается комплект документов, подлежащих согласованию и утверждению заказчиком, в которых содержатся основные технические решения по АСУ ТП, задания на разработки, связанные с созданием системы, сметная документация. Кроме того, разрабатывается документация, предназначенная для заказа комплекса технических средств и покупных программных изделий для монтажа, наладки и эксплуатации АСУ ТП.

Документация проектов АСУ ТП в основном ориентирована на использование типовых решений и оформляется таким образом, чтобы ее составные части могли в последующем быть основой типовых решений. В части математического обеспечения это требование удовлетворяется модульным представлением общего алгоритма функционирования системы с максимально возможным использованием типовых модулей. Такой подход применяют и при разработке проектной документации в части программного обеспечения.

Особенности автоматизации производств пищевой промышленности

Как и любая другая отрасль промышленности, пищевая промышленность имеет свои нюансы и особенности, которые в свою очередь накладывают определенные требования к автоматизации производства. Из особенностей производств пищевой промышленности можно выделить основные:

- производства характеризуются наличием большого числа трубопроводов, отсюда возникает задача создания распределенной системы сбора информации с управляющих устройств насосов, клапанов, дозаторов;

-  в производственном процессе большую долю занимают повторяющиеся операции (циклы) с изменяющимися параметрами (производство продуктов по рецептам);

-  в номенклатуре средств измерений присутствуют системы измерения вязких и сыпучих сред, большое распространение имеют системы взвешивания продукции;

-  часто процесс управления производством требует методик расчетов, не реализуемых в стандартных измерительных комплексах, выполнение которых ложится на АСУ ТП;

-  в производстве четко выражена постадийность, причем часто система автоматизации необходима отдельно для аппарата;

Главное устройство называется ядром (оно тоже состоит из разных частей: АЛУ, детектор инструкций, стек и т.д., но нам для программирования это пока не важно). Главным оно является потому, что только оно может читать зашитые в память программ элементарные команды и, в зависимости от этих команд, раздавать указания остальным устройствам, что нужно делать.

Одним из важнейших компонентов ядра является АЛУ - арифметико-логическое устройство. В микроконтроллерах PIC оно имеет один рабочий регистр W и может выполнять математические и логические операции с любым регистром памяти данных. То, что АЛУ может работать с любым регистром памяти данных - очень важно, в дальнейшем будет рассказано почему.

Все остальные устройства - это периферийные модули. Непосредственно друг с другом они не взаимодействуют и предназначены для выполнения каких-либо конкретных задач. Например, контроллер PIC16F628A имеет такой набор периферийных модулей: 2 порта ввода-вывода (по 8 независимых цифровых каналов), модуль аналоговых компараторов (2 компаратора), 3 таймера, модуль сравнения/захвата/ШИМ и модуль USART.