Курс АСУ ТП непрерывных производств. Конспект лекций

Введение и задачи модуля

Без АСУ ТП немыслим современный технологический процесс, эффективная работа непрерывных производств и систем безопасности. Благодаря АСУ ТП удается производить тысячи видов технологических продуктов, обслуживать десятки и даже тысячи технологических аппаратов, трубопроводов и систем. На современных химических, целлюлозно-бумажных, нефтехимических, нефтеперерабатывающих производствах и системах теплоэнергетики установлены десятки АСУ ТП, снабженных сотнями и тысячами единиц средств автоматизации.

Наш курс о том, что такое АСУ ТП, как профессионально строятся системы АСУ ТП, как работают системы, и что нужно знать, чтобы работать с ней и глубоко разбираться в вопросах, связанных с ее работой, включая ее выбор и применение технических средств автоматизации.

Курс предназначен для начинающих специалистов и студентов старших курсов "Автоматизированные системы управления технологическими процессами".

Задачей курса "Автоматизированные системы управления технологическими процессами Конспект лекций и карты памяти" является предоставление Вам цельного видения курса на основе конспекта лекций, прочитанных автором для старших курсов специальности 15.04.02 (Автоматизация технологических процессов и производств), и показ значимости отдельных модулей курса для работы специалистов по автоматизации. В описании модулей Вы увидите основные систематизированные и сжатые материалы, которые Вы должны достичь при изучении модулей, и которые должны будут Вам помочь в становлении Вас как профессионалов. Это особенно важно, когда Вы уже прошли обучение и теперь Вам нужно подняться над простым знанием того или иного предмета до его полноценного обобщения. Модуль построен на основе технологии сжатия данных, знаниевых материалов и системных (когнитивных) карт памяти.

Основные вопросы курса

ТЕМА 1. ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ

Основные понятия и определения. Функции АСУ ТП. Состав АСУ ТП. Общие технические требования. Классификация АСУ ТП

ТЕМА 2. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ СЕТЕВОЙ ТЕРМИНОЛОГИИ

Основные определения и термины. Преимущества использования сетей. Архитектура сетей. Выбор архитектуры сетей

ТЕМА 3. ПОСТРОЕНИЕ АСУ ТП НА БАЗЕ КОНЦЕПЦИИ ОТКРЫТЫХ СИСТЕМ

Особенности АСУ ТП. Работа сети. Описание уровней модели OSI. Взаимодействие уровней модели OSI.

ТЕМА 4. СЕТИ И СЕТЕВАЯ ТЕХНОЛОГИЯ В АСУ ТП

Требования к сетям. Топология сети. Виды сетей. Топология типа "звезда".Кольцевая топология. Шинная топология. Выбор топологии. Древовидная структура локальной сети. Компоненты локальной сети. Состав локальной сети. Протоколы. Определение протоколов. Работа протоколов. Стеки протоколов. Сетевые архитектуры. Ethernet. Промышленные сети. Одноточечный режим передачи данных. Многоточечный режим передачи данных. HART – протокол. Сеть FoundationFieldbus. Сеть Profibus.

ТЕМА 5. ПОСТРОЕНИЕ АСУ ТП

Функциональные задачи АСУ ТП. Особенности ТОУ. АСУ ТП как система функциональных задач. Архитектура и схемы АСУ ТП. Задачи проектирования. Архитектура АСУ ТП. Функциональные схемы автоматизации.Монтажные схемы автоматизации.Мнемосхемы.ТСА и исполнительные устройства.

ТЕМА 6. ПРОГРАММИРУЕМЫЕ ЛОГИЧЕСКИЕ КОНТРОЛЛЕРЫ

Место программируемого контроллера в АСУ предприятия. Терминология технических средств. Структура ПЛК. Операционная система ПЛК. Выбор промышленных контроллеров.

ТЕМА 7. ОБЕСПЕЧЕНИЕ АСУ

Организационное обеспечение.Методическое обеспечение.Техническое обеспечение.Математическое обеспечение.Программное обеспечение.Информационное обеспечение.      Лингвистическое обеспечение.Правовое обеспечение.Эргономическое обеспечение.

ТЕМА 8. СИСТЕМЫ ПРОТИВОАВАРИЙНОЙ ЗАЩИТЫ В АСУ ТП

Необходимость применения противоаварийной защиты. Назначение системы безопасности непрерывных производств. Назначение системы ПАЗ в АСУ ТП. Обеспечение системы ПАЗ. Обеспечение надежности в системе ПАЗ.

ТЕМА 9. АСУ ТП В ЦБП

Роль АСУ ТП в ЦБП. АСУ ТП в целлюлозном производстве.АСУ ТП в бумажном производстве.

ТЕМА 10. АСУ ТП В ПРОМЫШЛЕННОЙ И ТЕПЛОЭНЕРГЕТИКЕ

АСУ ТП в энергетике. АСУ ТП в промышленной энергетике.АСУ ТП в тепловой энергетике.

ТЕМА 11. ВОПРОСЫ ЭФФЕКТИВНОСТИ АСУ ТП

Расчет затрат на проектирование АСУ.Критерии и показатели эффективности.Методика расчета эффективности АСУ.Расчетные формулы эффективности. Экономическая эффективность АСУ.Экологическая эффективность АСУ.Социальная эффективность АСУ.

1. Основные положения АСУ ТП

1.1. Основные понятия и определения

Что такое ТОУ, АТК, АСУ ТП?

Технологический объект управления (ТОУ) – это совокупность технологического оборудования и реализованного на нем по соответствующим инструкциям или регламентам технологического процесса производства.

Рис. 1.1. Схема ТОУ

Пример ТОУ показан на рис.1.2.

Рис. 1.2. ТОУ – Котел

Автоматизированная система управления технологическим процессом (АСУ ТП) – человеко-машинная система управления, обеспечивающая автоматизированный сбор и обработку информации, необходимой для оптимизации управления технологическим объектом в соответствии с принятым критерием. АСУ ТП предназначена для выработки и реализации управляющих воздействий на технологический объект управления.

Рис.1.3. Общий вид мнемосхемы АСУ ТП непрерывного производства

ТОУ совместно с управляющей им АСУ ТП представляет собой автоматизированный технологический комплекс (АТК).

Рис. 1.4. Схема АТК

Их взаимосвязь на нижнем уровне АСУ ТП реализуется через взаимосвязь объекта регулирования и автоматического регулятора в контуре управления.

Рис. 1.5. Схема взаимодействия объекта регулирования и автоматического регулятора в контуре управления

Критерий управления АСУ ТП – это соотношение, характеризующее качество функционирования технологического объекта управления в целом и принимающее конкретные числовые значения в зависимости от используемых управляющих воздействий. АСУ ТП производства обеспечивает оптимальное управление как всеми АТК и ТОУ, так и вспомогательными процессами, входящими в состав данного производства.

1.2. Функции АСУ ТП

Определение функций

Функция АСУ ТП – это совокупность действий системы, направленных на достижение частной цели управления. Совокупность действий системы представляет собой определенную и описанную в эксплуатационной документации последовательность операций и процедур, выполняемых частями системы.

Классификация функций АСУ ТП

Функции АСУ ТП подразделяются на управляющие, информационные и вспомогательные.

Управляющая функция АСУ ТП – это функция, результатом которой являются выработка и реализация управляющих воздействий на технологический объект управления.

К управляющим функциям АСУ ТП относятся:

– регулирование (стабилизация) отдельных технологических переменных;

– однотактное логическое управление операциями или аппаратами;

– программное логическое управление группой оборудования;

– оптимальное управление установившимися или переходными технологическими режимами или отдельными участками процесса;

– адаптивное управление объектом в целом (например, самонастраивающимся комплексно-автоматизированным участком станков с числовым программным управлением).

Информационная функция АСУ ТП – это функция системы, содержанием которой являются сбор, обработка и представление информация о состоянии АТК оперативному персоналу или передача этой информации для последующей обработки. К информационным функциям АСУ ТП относятся:

– централизованный контроль и измерение технологических параметров;

– косвенное измерение (вычисление) параметров процесса (технико-экономических показателей, внутренних переменных);

– формирование и выдача данных оперативному персоналу АСУ ТП или (АТК);

– подготовка и передача информации в смежные системы управления;

– обобщенная оценка и прогноз состояния АТК и его оборудования.

Вспомогательные функции АСУ ТП – это функции, обеспечивающие решение внутрисистемных задач.

Цели АСУ ТП

– экономия топлива, сырья, материалов и другихпроизводственных ресурсов;

– обеспечение безопасности функционирования объекта;

– повышение качества выходного продукта (изделия) илиобеспечение заданных значений параметров выходныхпродуктов (изделий);

– снижение затрат живого труда; достижение оптимальнойзагрузки (использования) оборудования;

– оптимизация режимов работы технологического оборудования(в т.ч. маршрутов обработки в дискретных

производствах) и т. д.

Организация взаимодействия АСУ ТП с системами управления высших уровней определяется наличием на промышленном предприятии автоматизированной системы управления предприятием (АСУП) и автоматизированных систем организационно-технологического управления (АСОУТ).

АСУ ТП получает от соответствующих подсистем АСУП или служб управления предприятием непосредственно или через АСУОТ задания и ограничения и обеспечивает подготовку и передачу этим системам необходимой для их работы технико-экономической информации, в частности о выполнении заданий, продукции, оперативной потребности в ресурсах, состоянии АТК .

Карта памяти Основные положения АСУ ТП приведена на рис.1.6.

Рис. 1.6. Карта памяти раздела Основные положения АСУ ТП

Варианты реализации функций

В зависимости от степени участия людей в выполнении функций системы различаются два режима реализации функций: автоматизированный и автоматический.

Автоматизированный режим реализации управляющих функций характеризуется участием человека в выработке (принятии) решений и (или) их реализации.

При этом возможны следующие варианты:

– ручной режим,

– режим «советчика;

– диалоговый режим.

Ручной режим – комплекс технических средств автоматизации (ТСА) представляет оперативному персоналу контрольно- измерительную информацию о состоянии ТОУ, а выбор и осуществление управляющих воздействий производит человек-оператор.

Режим советчика – оперативный персонал имеет возможность корректировать постановку и условия задачи,

решаемой комплексом технических средств системы при выработке рекомендаций по управлению объектом.

Диалоговый режим – комплекс технических средств вырабатывает рекомендации по управлению, арешение об их использовании принимается и реализуется оперативным персоналом.

Автоматический режим реализации управляющих функций предусматривает автоматическую выработку и реализацию управляющих воздействий. При этом различаются:

– режим косвенного управления;

– режим прямого (непосредственного) цифрового (или аналого-цифрового)управления.

В чем отличие АСУ ТП от САР?

АСУ ТП представляют собой системы управления, качественно отличные от систем автоматического регулирования (САР), предназначенных для стабилизации режимов процессов и агрегатов.

САР – Системы автоматического регулирования, как правило, представляют собой замкнутые системы управления, функционирующие без участия человека. Основная цель САР – оптимальная отработка задания, обеспечивающего стабилизацию требуемой физической величины или технологического параметра. При этом значение задания считается известным и может быть как постоянным, так и изменяющимся по заранее известному закону.

Рис.1. 7. Сравнение промышленных систем автоматизации

Критерии оптимальности технологических режимов

Критериями оптимальности технологических режимов, как правило, являются технико-экономические показатели (к.п.д., удельные расходы сырья, энергии, топлива, себестоимость продукции), которые обычно не могут быть непосредственно измерены, а получаются в результате соответствующих вычислительных процедур.

Рис. 1.8. Карта памяти Функции АСУ ТП

Место и роль АСУ ТП в повышении эффективности производства

Основная роль внедрения систем автоматизации – повышение уровня эффективности, мобильности и облегчения труда сотрудников. Благодаря этим изменениям возрастает уровень конкурентоспособности на рынке.

Где применяется автоматизация?

Автоматизация производства создана для улучшения системы внутреннего труда. Например, это автоматизированные установки, позволяющие обеспечить работой больший объем производства.

Обучающая система предназначена для работы с техникой, которая дает возможность расширить варианты получения информации, и способствует обучению новым программам.

Автоматизация задействует области проектирования, планирования и управления.

4 этапа функционирования производства

Рис.1.9. 4 этапа функционирования производства

Уровни автоматизации производства

1. Нулевой – участие человека исключается только для выполнения рабочих ходов.

2. Автоматизация рабочего цикла первого уровня исключает участие человека при выполнении холостых ходов на конкретном оборудовании.

3. Автоматизация второго уровня. Здесь решаются вопросы доставки и отгрузки, контроля управления системами машин и удаления отходов.

4. Третий уровень автоматизации. Охватывает все этапы процесса производства, начиная от самых простых и заканчивая испытаниями и отгрузкой готовой продукции.

1.3. Классификация АСУ ТП

Основные классификационные признаки АСУ ТП

– уровень, занимаемый ТОУ и АСУ ТП в структурепредприятия;

– характер протекания технологического процесса вовремени;

– показатель условной информационной мощности;

– уровень функциональной надежности АСУ ТП;

– тип функционирования АСУ ТП.

Классификация АСУ ТП по уровню, занимаемому в организационно-производственной иерархии

Классификация АСУ ТП по характеру протекания управляемоготехнологического процесса во времени

Классификация АСУ ТП по условной информационной мощности

Классификация АСУ ТП по уровню функциональной надежности

Классификация АСУ ТП по типу функционирования

2. Основные понятия сетевой терминологии

2.1. Основные понятия сетевой терминологии

Понятие сети

Сеть – это совокупность объектов, образуемых устройствами передачи и обработки данных. Международная организация по стандартизации определила вычислительную сеть как последовательную бит-ориентированную передачу информации между связанными друг с другом независимыми устройствами.

По территориальному признаку различают:

Локальные

Глобальные

–– Городские

–– Региональные

–– Национальные

–– Транснациональные

Локальные вычислительные сети (ЛВС) или LocalAreaNetwork (LAN), расположенные в одном или нескольких близко расположенных зданиях. ЛВС обычно размещаются в рамках какой-либо организации (корпорации, учреждения), поэтому их называют корпоративными.

Распределенные компьютерные сети, глобальные или WideAreaNetwork (WAN), расположенные в разных зданиях, городах и странах, которые бывают территориальными, смешанными и глобальными. В зависимости от этого глобальные сети бывают четырех основных видов: городские, региональные, национальные и транснациональные. В качестве примеров распределенных сетей очень большого масштаба можно назвать: Internet, EUNET, Relcom, FIDO.

Коммуникационная сеть

Коммуникационная сеть предназначена для передачи данных по каналам связи, также она выполняет задачи с преобразованием данных.

Канал связи – путь или средство, по которому передаются сигналы. Существуют:

– Физический – соединение на основе витых пар, коаксиальных кабелей, оптических каналов или эфира.

– Логический – маршрут, проложенный между физическими каналами и узлами коммутации.

а)

б)

в)

Рис. 2.1. Организация физических каналов связи

а) витая пара; б) коаксиальный кабель; в) оптоволоконный кабель

Информационная сеть

Информационная сеть – предназначена для хранения информации и состоит из информационных систем.Информационная система – объект, способный осуществлять хранение, обработку или передачу информации.

Протокол, трафик и метод доступа

Протокол – это совокупность правил, устанавливающих формат и процедуры обмена информацией между двумя или несколькими устройствами.

Трафик – это поток сообщений в сети передачи данных. Под ним понимают количественное измерение в выбранных точках сети числа проходящих блоков данных и их длины, выраженное в битах в секунду.

Метод доступа – это способ определения того, какая из рабочих станций сможет следующей использовать канал связи и как управлять доступом к каналу связи

Топология

Топология – это описание физических соединений в сети, указывающее какие рабочие станции могут связываться между собой.

Рис.2.2. Топология сетей

Архитектура сетей

Архитектура – это концепция, определяющая взаимосвязь, структуру и функции взаимодействия рабочих станций в сети. Она предусматривает логическую, функциональную и физическую организацию технических и программных средств

Основные виды архитектур:

– Терминал – Главный компьютер

– Клиент – Сервер

– Одноранговая

Состав сетей

В состав сети в общем случае включается следующие элементы:

– сетевые компьютеры (оснащенные сетевым адаптером);

– каналы связи (кабельные, спутниковые, телефонные, цифровые, волоконно-оптические, радиоканалы и др.);

– различного рода преобразователи сигналов;

– сетевое оборудование.

Виды сетей

Различают два понятия сети: коммуникационная сеть и информационная сеть (рис. 1.1).

– Коммуникационная сеть предназначена для передачи данных, также она выполняет задачи, связанные с преобразованием данных. Коммуникационные сети различаются по типу используемых физических средств соединения.

– Информационная сеть предназначена для хранения информации и состоит из информационных систем.

Рис. 2.3. Информационные и коммуникационные сети

Компьютерная сеть

Компьютерная сеть состоит из информационных систем и каналов связи.

– Под информационной системой следует понимать объект, способный осуществлять хранение, обработку или передачу информация. В состав информационной системы входят: компьютеры, программы, пользователи и другие составляющие, предназначенные для процесса обработки и передачи данных

– Под каналом связи следует понимать путь или средство, по которому передаются сигналы. Средство передачи сигналов называют абонентским, или физическим, каналом.

– Логический канал – это путь для передачи данных от одной системы к другой. Логический канал прокладывается по маршруту в одном или нескольких физических каналах.

– Протокол – это совокупность правил, устанавливающих формат и процедуры обмена информацией между двумя или несколькими устройствами.

– Топология – это описание физических соединений в сети, указывающее какие рабочие станции могут связываться между собой.

– Архитектура – это концепция, определяющая взаимосвязь, структуру и функции взаимодействия рабочих станций в сети.

2.2. Преимущества использования сетей

Соединенные в сеть компьютеры обмениваются информацией и совместно используют периферийное оборудование и устройства хранения информации рис. 2.4.

Рис. 2.4. Использование периферийного оборудования

Компьютерная сеть позволит совместно использовать периферийные устройства, включая:

– принтеры;

– плоттеры;

– дисковые накопители;

– приводы CD-ROM;

– дисководы;

– стримеры;

– сканеры;

– факс-модемы;

Компьютерная сеть позволяет совместно использовать информационные ресурсы:

– каталоги;

– файлы;

– прикладные программы;

– игры;

– базы данных;

– текстовые процессоры.

2.3. Архитектура сетей

Определение архитектуры сети

Архитектура сетиопределяет основные элементы сети, характеризует ее общую логическую организацию, техническое обеспечение, программное обеспечение, описывает методы кодирования. Архитектура также определяет принципы функционирования и интерфейс пользователя.

Виды сетевых архитектур

Архитектура "терминал-главный компьютер"

Это концепция информационной сети, в которой вся обработка данных осуществляется одним или группой главных компьютеров.

Рассматриваемая архитектура предполагает два типа оборудования:

– главный компьютер, где осуществляется управление сетью, хранение и обработка данных;

– терминалы, предназначенные для передачи главному компьютеру команд на организацию сеансов и выполнение заданий, ввода данных для выполнения заданий и получения результатов.

Главный компьютер через мультиплексоры передачи данных (МПД) взаимодействует с терминалами, как представлено на рисунке ниже.

Рис.2.5. Архитектура "Терминал-главный компьютер"

Одноранговая архитектура

К одноранговым сетям относятся малые сети, где любая рабочая станция может выполнять одновременно функции файлового сервера и рабочей станции.

В одноранговых сетях дисковое пространство и файлы на любом компьютере могут быть общими.

Одноранговые сети являются наиболее легким и дешевым типом сетей для установки. Они на компьютере требуют, кроме сетевой карты и сетевого носителя, только операционной системы Windows 2000/02 или WindowsforWorkgroups. При соединении компьютеров, пользователи могут предоставлять ресурсы и информацию в совместное пользование.

Достоинства и недостатки одноранговых сетей

Достоинства:

– они легки в установке и настройке;

– отдельные ПК не зависят от выделенного сервера;

– пользователи в состоянии контролировать свои ресурсы;

– малая стоимость и легкая эксплуатация;

– минимум оборудования и программного обеспечения;

– нет необходимости в администраторе;

– хорошо подходят для сетей с количеством пользователей, непревышающим десяти.

Недостатки:

Существенным недостатком одноранговых сетей является отсутствие централизованного администрирования.

Использование одноранговой архитектуры не исключает применения в той же сети также архитектуры "терминал – главный компьютер" или архитектуры "клиент- сервер".

Архитектура "Клиент-сервер"

Это концепция информационной сети, в которой основная часть ее ресурсов сосредоточена в серверах, обслуживающих своих клиентов.

Рис.2.6. Архитектура "Клиент-сервер"

Рассматриваемая архитектура определяет два типа компонентов: серверы и клиенты.

Сервер – это объект, представляющий сервис – другим объектам сети по их запросам.

Клиенты – это рабочие станции, которые используют ресурсы сервера и предоставляют удобные интерфейсы пользователя.

В сетях с выделенным файловым сервером на выделенном автономном ПК устанавливается серверная сетевая операционная система. Этот ПК становится сервером. Программное обеспечение(ПО), установленное на рабочей станции, позволяет ей обмениваться данными с сервером.

Сети на базе серверов имеют лучшие характеристики и повышенную надежность. Сервер владеет главными ресурсами сети, к которым обращаются остальные рабочие станции.

Достоинства и недостатки клиент-серверной архитектуры

Достоинства:

– позволяют организовывать сети с большим количествомрабочих станций;

– обеспечивают централизованное управление учетнымизаписями пользователей, безопасностью и доступом, чтоупрощает сетевое администрирование;

– эффективный доступ к сетевым ресурсам;

– пользователю нужен один пароль для входа в сеть и для получения доступа ко всем ресурсам, на которые распространяются права пользователя.

Недостатки:

– неисправность сервера может сделать сеть неработоспособной, как минимум потерю сетевых ресурсов;

– требуют квалифицированного персонала для администрирования;

– имеют более высокую стоимость сетей и сетевого оборудования.

Выбор архитектуры

Следует выбрать одноранговую сеть, если:

– количество пользователей не превышает десяти;

– все машины находятся близко друг от друга;

– имеют место небольшие финансовые возможности;

– нет необходимости в специализированном сервере, таком как сервер БД, факс- сервер или какой-либо другой;

– нет возможности или необходимости в централизованном администрировании.

Следует выбрать клиент-серверную сеть, если:

– количество пользователей превышает десять;

– требуется централизованное управление, безопасность, управление ресурсами или резервное копирование;

– необходим специализированный сервер;

– нужен доступ к глобальной сети;

– требуется разделять ресурсы на уровне пользователей.