ОСНОВНІ ПОНЯТТЯ І ВИЗНАЧЕННЯ

ВСТУП

Безперервне зростання потужності доменних печей та впровадження нових методів інтенсифікації технологічного процесу істотно підвищили продуктивність доменного виробництва і збільшили потоки сировини, енергії і продуктів плавки, що беруть участь у виробничому процесі. Сучасний доменний цех щодоби споживає понад 50 тис. т різних матеріалів, 100 млн. м3 повітря, приблизно 2 млн. т води і витрачає більше 20 тис. кВтг електроенергії. Значно ускладнилося управління доменним виробництвом, зросла кількість інформації, яку необхідно освоїти і використати для управління процесом. Збільшилася також кількість керуючих впливів і ускладнився вибір управлінь, найбільш раціональних для даних умов. Аналіз інформації, що надходить і вибір оптимальних керуючих впливів вимагають високої кваліфікації персоналу, який обслуговує піч. В цих умовах зростає необхідність впровадження систем автоматичного контролю і управління.

Системи контролю і управління роботою доменних печей поступово ускладнювалися – від найпростіших систем стабілізації окремих параметрів до локальних систем управління окремими режимами роботи печі і, нарешті, до комплексних систем управління всім доменним процесом.

Автоматичний контроль і стабілізація деяких параметрів доменного процесу зіграли в свій час велику роль у справі підвищення продуктивності і економічності роботи доменних печей. Впровадження локальних систем стабілізації витрати, температури і вологості гарячого дуття, тиску колошникового газу, нагріву повітронагрівачів дозволило підвищити продуктивність доменних печей на 5-9% і отримати економію коксу 6-7%. Крім того, локальні системи стабілізації полегшили працю металургів і підвищили загальну культуру виробництва.

Впровадження локальних систем управління, таких, наприклад, як системи автоматичного управління шихтоподачі, розподілу гарячого дуття і природного газу по фурмам доменної печі, автоматичне переведення і керування нагрівом повітронагрівачів і т.п., дало додатковий економічний ефект: продуктивність доменних печей збільшилася ще на 4 -5%, а витрата коксу знизилася на 2-3%.

Автоматизація – це технічна дисципліна, яка займається вивченням, розробкою і створенням автоматичних пристроїв та механізмів з передачею функції управління від людини до автоматичних пристроїв.

ТОУ – технологічний об'єкт управління – сукупність технологічного устаткування та реалізація на ньому технологічного процесу. Знання ТОУ є основою для реалізації високоякісних і надійних АСУ.

АСУ – автоматизована система управління це людино-машинна система, що забезпечує автоматизований збір і обробку інформації, необхідну для оптимального управління в різних сферах людської діяльності.

Розвиток технологій, де переважають безперервні технологічні процеси (зокрема металургійні) потребує створення досконаліших систем управління, ніж локальні системи регулювання АСР. Ці принципово нові системи отримали назву автоматизованих систем управління технологічними процесами – АСУТП.

Створення АСУТП стало можливим завдяки впровадженню ЕОМ останнього у виробництві покоління, збільшенню їх обчислювальних ресурсів і надійності.

В результаті АСУТП – називають АСУ для вироблення і реалізації керуючих впливів на ТОУ відповідно до прийнятого критерію управління – показника, що характеризує якість роботи ТОУ і такого, що набуває певних значень залежно від використовуваних керуючих впливів.

АТК – сукупність спільно функціонуючих ТОУ і АСУТП утворює автоматизований технологічний комплекс.

АСУТП відрізняється від локальних систем автоматичного управління:

- досконалішою організацією потоків інформації;

- практично повною автоматизацією процесів отримання, обробки і представлення інформації;

- можливістю активного діалогу оперативного персоналу з ЕОМ в процесі управління для вироблення найбільш ефективних рішень;

- вищим ступенем автоматизації функцій управління, включаючи пуск і зупинку виробництва.

Від систем управління автоматичними виробництвами типу цехів і заводів-автоматів (вищий ступінь автоматизації) АСУТП відрізняється значним ступенем участі людини в процесах управління.

Перехід від АСУТП до повністю автоматичний виробництвам стримується:

- недосконалістю технологічних процесів (наявність немеханізованих технологічних операцій);

- низькою надійністю технологічного устаткування; недостатньою надійністю засобів автоматизації і обчислювальної техніки;

- труднощами математичного опису завдань, що вирішуються людиною в АСУТП і т.д.

Глобальна мета управління ТОУ з допомогою АСУТП полягає в підтримці екстремального значення критерію управління при виконанні всіх умов, що визначають безліч допустимих значень керуючих впливів.

В більшості випадків глобальна мета розбивається на ряд часткових цілей; для досягнення кожної з них потрібне рішення більш простішого завдання управління.

Функцією АСУТП називають дії системи, направлені на досягнення однієї з приватних цілей управління.

Часткові цілі управління, як і функції, що реалізовують їх, знаходяться в певній супідрядності, утворюючи функціональну структуру АСУТП (рис.1).

 

Рис. 1. Функціональна структура АСУТП

 

До функцій АСУТП відносяться:

1. Інформаційні – збір, перетворення і зберігання інформації про стан ТОУ; представлення цієї інформації оперативному персоналу або передача її для подальшої обробки.

2. Первинна обробка інформації про поточний стан ТОУ.

3. Виявлення відхилень технологічних параметрів і показників стану устаткування від встановлених значень.

4. Розрахунок значень не вимірюваних величин і показників (непрямі вимірювання, розрахунок техніко-економічних показників, прогнозування);

5. Оперативне відображення і реєстрація інформації.

6. Обмін інформацією з оперативним персоналом.

7. Обмін інформацією з суміжними і вищерозташованими АСУ.

Управляючі функції забезпечують підтримку екстремальних значень критерію управління в умовах виробничої ситуації, що змінюється. Вони діляться на дві групи:

- перша – визначення оптимальних керуючих впливів;

- друга – реалізація цього режиму шляхом формування керуючих впливів на ТОУ (стабілізація, програмне управління, програмно-логічне управління).

Допоміжні функції забезпечують вирішення внутрісистемних завдань.

Для реалізації функцій АСУТП необхідні:

- технічне забезпечення;

- програмне;

- інформаційне;

- організаційне;

- оперативний персонал.

Технічне забезпечення АСУТП складає комплекс технічних засобів (КТЗ), що містить наступні елементи (рис. 2,3):

- засоби отримання інформації про поточний стан ТОУ;

- УОК (управляючий обчислювальний комплекс);

- технічні засоби для реалізації функцій локальних систем автоматизації;

- виконавчі пристрої, що безпосередньо реалізовують керуючі впливи на ТОУ.

До складу УОК входять обчислювальний комплекс (ОК), пристрої зв'язку ОК з об'єктом (УСО) і з оперативним персоналом.

Першим до цих пір поширеним типом технічних структур АСУТП є централізована. У системах з централізованою структурою вся інформація, необхідна для управління АТК, надходить в єдиний центр – операторський пункт, де встановлені практично всі технічні засоби АСУТП, за винятком джерел інформації і виконавчих пристроїв. Така технічна структура найбільш проста і має ряд переваг.

 

Рис. 2. Технічна структура КТС АСУТП для роботи в супервізовному режимі:

ИИ – джерело інформації; УСО – пристрій зв'язку з об’єктом; ВК – обчислювальний комплекс; УСОП – пристрій зв'язку з оперативним персоналом; ОП – оперативний персонал; ТСА – технічні засоби автоматизації для реалізації функцій локальних систем; ИУ – виконавчі пристрої.

 

 

Рис. 3. Технічна структура КТС АСУТП для роботи

в режимі безпосереднього цифрового управління

 

 

Недоліками її є:

- необхідність надмірного числа елементів АСУТП для забезпечення високої надійності;

- великі витрати кабелю.

Застосування таких систем доцільне для порівняно невеликих по потужності і компактних АТК.

У зв'язку з впровадженням мікропроцесорної техніки найбільшого поширення набуває розподілена технічна структура АСУТП, тобто розчленована на ряд автономних підсистем – локальних технологічних станцій управління, територіально розподілених по технологічних ділянках управління. Кожна локальна підсистема є однотипно виконаною централізованою структурою, ядром якої є управляюча мікроЕОМ.

Локальні підсистеми через свої мікроЕОМ об'єднані в єдину систему мережею передачі даних. До мережі підключається необхідне для управління АТК число терміналів для оперативного персоналу.

Програмне забезпечення АСУТП зв'язує всі елементи розподіленої технічної структури в єдине ціле, яке володіє рядом переваг:

- можливістю отримання високих показників надійності за рахунок розщеплювання АСУТП на сімейство порівняно невеликих і менш складних автономних підсистем і додаткового резервування кожної з цих підсистем через мережу;

- застосування надійніших засобів мікроелектронної обчислювальної техніки;

- великою гнучкістю при композиції і модернізації технічного і програмного забезпечення і т.д.

Більшість функцій АСУТП реалізуються програмно, тому найважливішим компонентом АСУТП є її програмне забезпечення (ПЗ), тобто сукупність програм, що забезпечують реалізацію функцій АСУТП.

Програмне забезпечення АСУТП ділиться:

- загальне;

- спеціальне.

Загальне ПЗ поставляється в комплекті із засобами обчислювальної техніки.

Спеціальне ПЗ розробляється при створенні конкретною АСУТП і включає програми, що реалізовують її інформаційні та керуючі функції.

Програмне забезпечення створюється на базі математичного забезпечення (МЗ). МЗ – сукупність математичних методів, моделей і алгоритмів для вирішення завдань обробки інформації із застосуванням обчислювальної техніки.

Для реалізації інформаційних та управляючих функцій АСУТП створюють спеціальне МЗ, до складу якого входять:

- алгоритм збору, обробки і представлення інформації;

- алгоритми управління з математичними моделями відповідних об'єктів управління;

- алгоритми локальної автоматизації.

Всі взаємодії як усередині АСУТП, так і із зовнішнім середовищем є різними формами інформаційного обміну, необхідними масивами даних і документів, які забезпечують при експлуатації АСУТП виконання всіх її функцій.

Правила обміну інформацією і сама інформація, яка циркулює в АСУТП, утворюють інформаційне забезпечення АСУТП.

Організаційним забезпеченням АСУТП є сукупність описів функціональної, технічної і організованої структур системи, інструкцій і регламентів для оперативного персоналу, що забезпечує задане функціонування АСУТП.

Оперативний персонал АСУТП складається з операторів-технологів, що здійснюють управління ТОУ, експлуатаційного персоналу, обслуговуючого функціонування АСУТП (оператори ЕОМ, програмісти, персонал з обслуговуванню апаратури КТС).

Оперативний персонал АСУТП може працювати в контурі управління або поза ним. При роботі в контурі управління ОП реалізує всі функції управління або частину їх, використовує рекомендації по раціональному управлінню ТОУ, вироблені КТС. Такий режим функціонування АСУТП називають інформаційно–дорадчим.

Якщо оперативний персонал працює поза контуром управління, він задасть АСУТП режим роботи і здійснює контроль за його дотриманням. В цьому випадку, залежності від складу КТС, АСУТП може функціонувати в двох режимах:

- комбінованому (супервізорному) (див. рис. 2):

- у режимі безпосереднього цифрового управління, при якому УВК безпосередньо впливає на виконавчі пристрої, змінюючи керуючий вплив на ТОУ (див. рис. 3).

При синтезі локальних АСР зазвичай використовують лінеаризовані моделі динаміки у вигляді лінійних диференціальних рівнянь 1–2-го порядку із запізнюванням, які отримують обробкою експериментальних або розрахункових перехідних функцій по різних каналах впливу. Для вирішення завдань оптимального управління статистичними режимами використовують кінцеві співвідношення, отримані з рівнянь матеріального і енергетичного балансу ТОУ, або рівняння регресії. У завданнях оптимального управління динамічними режимами використовують нелінійні диференціальні рівняння, отримані з рівнянь матеріального і енергетичного балансу [1].

Будь-яке металургійне виробництво представляє послідовність трьох основних операцій:

1. підготовка сировини;

2. власне металургійне перетворення;

3. виділення цільових продуктів.

Ця послідовність операцій включається в єдину складну систему виробництва чавуну.

Сучасне підприємство, завод або комбінат, як система великого масштабу складається з великої кількості взаємозв'язаних підсистем. Кожна підсистема підприємства є сукупністю технологічної системи і системи автоматичного управління, вони діють як єдине ціле для отримання заданого продукту або напівпродукту.