Система 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 АСУ ТП

АСУ ТП подразделяется на 4 уровня:

  1. уровень технологического процесса (полевой уровень);
  2. уровень контроля и управления технологическим процессом (контроллерный уровень);
  3. уровень магистральной сети (сетевой уровень);
  4. уровень человеко-машинного интерфейса (верхний уровень).
Уровни АСУ ТП
Уровни АСУ ТП

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 щита АСУ ТП 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.

Принцип работы АСР и законы регулирования
Принцип работы АСР и законы регулирования

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.

  1. Во-первых, получение информации о заданном значении уровня. В данном случае это значение заранее известно.
  2. Во-вторых, получение информации о фактическом уровне, т. е. его измерение.
  3. В-третьих, определение величины и знака отклонения уровня от заданного.
  4. В-четвертых, установление требуемого изменения притока в зависимости от величины и знака отклонения.
  5. 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.

Структурная схема непрерывного регулятора с аналоговым выходом
Структурная схема непрерывного регулятора с аналоговым выходом

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.

действия выходного сигнала регуляторы
действия выходного сигнала регуляторы

Законы регулирования

Пропорциональный закон регулирования, П-регулятор

П-регулятор
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) КР.

Интегральный закон регулирования, И-регулятор

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

И-регулятор
И-регулятор

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) КI и КР.

ПИ-регулятор
ПИ-регулятор

Дифференциальный закон регулирования, Д-регулятор

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

Д-регулятор
Д-регулятор

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) КР и КD.

ПД-регулятор
ПД-регулятор

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) КI и КD.

ИД-регулятор
ИД-регулятор

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) КI , КР и КD.

Пропорционально-интегрально-дифференциальный закон регулирования
Пропорционально-интегрально-дифференциальный закон регулирования

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.

Определение параметров объекта управления
Определение параметров объекта управления

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.

Определение настроечных параметров регулятора

На основании формул таблицы настройки регуляторов рассчитываем параметры регулятора в зависимости от типа желаемого переходного процесса:

Определение настроечных параметров регулятора
Определение настроечных параметров регулятора

Качество настройки контуров управления напрямую влияет на стабильность ведения технологических процессов и получение продукции требуемого качества.

Комментарии: 15Активность: 54693
4 1 голос

Оцените статью!

guest
0 Комментарий
Межтекстовые Отзывы
Посмотреть все комментарии