АСУ – аббревиатура, которая расшифровывается как Автоматизированные Системы Управления. Ответ на вопрос, что такое АСУ, можно сформулировать следующим образом: это совокупность технических систем и процессов, организационных комплексов и научных методов, которые позволяют обеспечить оптимальное управление сложным техническим процессом или объектом, а также коллективом людей, который имеет одну единую цель.

Вконтакте

Структурная схема АСУ

В структуре любой автоматизированной системы управления можно выделить следующие компоненты:

1. Основная часть – включает в себя математическое и информационное обеспечение и техническую часть.
2. Функциональна часть – подразумевает конкретные управленческие функции и ряд взаимосвязанных программ.

Системы могут быть элементарными или масштабными и сложными.

Принято различать две структурные разновидности таких систем - автоматизированная система управления техническим процессом (АСУТП) и система организационного управления (АСОУ).

Различия среди этих систем заключаются в характеристиках объекта, которым система будет управлять. АСУТП выстраиваются для управления сложными техническими объектами, механизмами, аппаратами, машинами. АСОУ призваны контролировать функционирование коллективы людей. Соответственно применению АСУ, будут различаться и способы передачи информации – это могут быть документы или разнообразные физические сигналы.

Существует также аббревиатура САУ – система автоматического управления. Её особенность заключается в том, что она некоторое время может действовать без вмешательства человека. Применяются такие системы для управления отельными небольшими объектами.

Применение и основные функции АСУ

АСУ нашли широкое применение в разнообразных сферах промышленного производства. Основные функции систем сводятся к следующему:

Основные принципы АСУ

Впервые принципы действия автоматизированных систем управления, порядок их разработки и создания были сформулированы В.М. Глушковым.

Информационная база АСУ

Информационной базой АСУ можно назвать всю совокупность информации, размещённой на машинных носителях и необходимых для нормального функционирования системы.

Как правило, вся информационная база подразделяется условно на три сектора – генеральный, производный и оперативный.

Технические характеристики АСУ

Под технической базой АСУ принято понимать все технические средства, которые применяют для сбора, накопления и обработки информации, а также для её отображения и передачи. Сюда же можно отнести и исполнительные узлы системы, которые воздействуют на объект управления.

Основные технические элементы и оборудование АСУ – это электронно-вычислительная техника, которая обеспечивает накопление и обработку всех данных, циркулирующих внутри системы. Такая техника позволяет моделировать производственные процессы и строить предложения для управления.

Для построения и управления АСУ применяются два типа электронно-вычислительной техники - учётно-регулирующий и информационно-расчётный.

Информационно-расчётное оборудование находится на высшей иерархической ступени в управленческой системе. Их задачей является решение всех вопросов, связанных с централизованным управлением объектом. Для таких механизмов характерно высокое быстродействие, наличие системы прерываний, переменная длина слова, слоговая обработка вводных данных.

Нижний уровень системы управления, как правило, отдаётся учётно-регулирующим механизмам и оборудованию. Эти механизмы, как правило, размещаются непосредственно на участках или в производственных цехах. В их задачу входит сбор вводных данных от объектов управления и первичная обработка этой информации с последующей передачей её в информационно-расчётное отделение и получением плановой директивной информации. Кроме того, учётно-регулирующая часть оборудования занимается локальными расчётами и вырабатывает управляющие воздействия на объекты управления в случае возникновения отклонений от расчётных функций. Эта часть системы управления имеет хорошо развитую связь с большим количеством источников информации и устройств регулирования.

Механические средства сбора и отображения информации

Если системой предусмотрен сбор и обработка информации с участием человека, в неё включаются различные регистраторы, которые позволяют получать исходные данные непосредственно с рабочих мест. Сюда же относятся всевозможные температурные датчики, таймеры, измерители количества произведённых деталей и прочее подобное оборудование. Монтируются также автоматические фиксаторы отклонений в производственном процессе, которые регистрируют и передают в систему сведения об отсутствии материалов, инструментария, транспортных средств для отправки изготовленных продуктов, а также неправильности в работе станков. Подобная аппаратура устанавливается не только в производственных помещениях, но и на складах для хранения сырья и готовой продукции.

К средствам отображения данных относятся все устройства, позволяющие вывести информацию в наиболее доступном для человека виде. Сюда относятся всевозможные мониторы, табло и экраны, печатающие устройства, терминалы, индикаторы и пр. Эти устройства связаны напрямую с центральным процессором вычислительной машины и могут выдавать информацию либо регламентировано, либо эпизодически – по запросу оператора или же в случае возникновения аварийной ситуации.

В состав технической базы автоматизированных систем управления входят также разнообразные виды оргтехники, контрольно-измерительные и учётные приборы, которые обеспечивают нормальное функционирование основных технических узлов.

В соответствии с требованиями к функционированию тепличного хозяйства с конвекционным теплообменом и системой орошения схему автоматизации технологического процесса выращивания сельхозпродукции в блочных стационарных теплицах можно представить в виде функциональной схемы автоматизации представленной на рис. 3.1.

На схеме автоматизации (см. рис. 3.1) приняты следующие обозначения:

• 1 - Воздушная заслонка приточной вентиляции с электроприводом;
• 2 - Циркуляционный вентилятор;
• 3 - ТЭН;
• 4 - Воздушная заслонка вытяжной вентиляции с электроприводом;
• 5 - Электромагнитный клапан контура орошения;
• 6 - Форсунки системы орошения (полива);
• 7 - Датчик открывания дверей (или окон);
• 8, 9 - Датчик влажности почвы;
• 10 - Измеритель влажности и температуры воздуха.

На основании разработанной схемы автоматизации архитектуру системы управления целесообразно проектировать по трехуровневой схеме. На первом (нижнем) уровне обеспечивается сбор технологической информации с измерительных преобразователей и управление установленными по месту исполнительными механизмами и релейной автоматикой. Сигналы с измерительных преобразователей температуры и влажности обрабатываются программируемым логическим контроллером (ПЛК).

На основании разработанной схемы автоматизации архитектуру системы управления целесообразно проектировать по трехуровневой схеме. На первом (нижнем) уровне обеспечивается сбор технологической информации с измерительных преобразователей и управление установленными по месту исполнительными механизмами и релейной автоматикой. Сигналы с измерительных преобразователей температуры и влажности обрабатываются ПЛК. По заданному алгоритму управления режимом микроклимата формирует управляющие сигналы на исполнительные механизмы контуров управления. Второй уровень обеспечивает программное управление по заданному технологическому процессу выращивания сельскохозяйственной культуры с поста оператора. Программная система автоматически проверяет и контролирует температуру, уровень влажности в камере и на поверхности грунта при помощи сенсоров и клапана нагревательного трубопровода, а также системы увлажнения. К оборудованию данного уровня относится пульт управления и ПЛК, установленные в пультовой. Промышленный компьютер объединен сетью Profibus DP с распределенным оборудованием и подключен к локальному сегменту тепличного хозяйства по сети Ethernet на третьием уровне.

На третьем (верхнем) уровне осуществляется централизованная обработка информации о технологическом процессе на предприятия по сети Ethernet. Обработка информации включает контроль за ходом технологического процесса, расходом теплоносителя, протоколирование, архивирование и оперативный контроль.

Структурная схема автоматизированной системы управления технологическим процессом регулирования климатом внутри тепличной среды изображена на рис. 3.2.

Рисунок 3.1 -Автоматизированная система управления микроклиматом теплицы

Рисунок 3.2 - Структурная схема АСУ МКТ

Развитие АСУ ТП на современном этапе связано с широким использованием для управления микропроцессоров и микроЭВМ, стоимость которых с каждым годом становится все более низкой по сравнению с общими затратами на создание систем управления. До появления микропроцессоров эволюция систем управления технологическими процессами сопровождалась увеличением степени централизации. Однако возможности централизованных систем теперь уже оказываются ограниченными и не отвечают современным требованиям по надежности, гибкости, стоимости систем связи и программного обеспече­ния.

Переход от централизованных систем управления к децентрализованным вызван также возрастанием мощности отдельных технологических агрегатов, их усложнением, повышением требований по быстродействию и точности к их работе. Централизация систем управления экономически оправдана при сравнительно небольшой информационной мощности (число каналов контроля и регулирования) ТОУ и его территориальной сосредоточенности. При большом числе каналов контроля, регулирования и управления, большой длине линий связи в АСУ ТП децентрализация структуры системы управления становится принципиальным методом повышения живучести АСУ ТП, снижения стоимости и эксплуатационных расходов.

Наиболее перспективным направлением децентрализации АСУ ТП следует признать автоматизированное управление процессами с распределенной архитектурой, базирующееся на функционально-целевой и топологической децентрализации объекта управления.

Функционально-целевая децентрализация - это разделение сложного процесса или системы на меньшие части - подпроцессы или подсистемы по функциональному признаку (например, переделы технологического процесса, режимы работы агрегатов и т. д.), имеющие самостоятельные цели функционирования.

Топологическая децентрализация означает возможность территориального (пространственного) разделения процесса на функционально-целевые подпроцессы. При оптимальной топологической де­централизации число подсистем распределенной АСУ ТП выбирается так, чтобы минимизировать суммарную длину линий связи, образующих вместе с локальными подсистемами управления сетевую структуру.

Технической основой современных распределенных систем управления, обусловившей возможность реализации таких систем, являются микропроцессоры и микропроцессорные системы.

Микропроцессорная система выполняет функции сбора данных, регулирования и управления, визуализации всей информации базы данных, изменения уставок, параметров алгоритмов и самих алгоритмов, опти­мизации и т.д. Использование микропроцессоров (в том числе микроЭВМ) для решения перечисленных задач дает возможность достичь следующих целей:

а) заменить аналоговые технические средства на цифровые там, где переход к цифровым средствам повышает точность, расширяет функциональные возможности и увеличивает гибкость систем управления;

б) заменить технические средства с жесткой логикой на программируемые (с возможностью изменения программы) устройства, или микроконтроллеры ;

в) заменить одну мини-ЭВМ системой из нескольких микроЭВМ, когда необходимо обеспечить децентрализованное управление производством или технологическим процессом с повышенной надежностью и живучестью или когда возможности мини-ЭВМ полностью не используются.

Микропроцессорные системы могут выполнять в подсистемах распределенной АСУ ТП все типовые функции контроля, измерения, регулирования, управления, представления информации оператору.

В распределенных АСУ ТП приняты в основном три топологические структуры взаимодействия подсистем: звездообразная (радиальная); кольцевая (петлевая); шинная (магистральная) или их комбинации. Организация связи с датчиками и исполнительными устройствами носит индивидуальный и преимущественно радиальный характер.

На рис.3.5 изображены варианты топологий распределенных АСУ ТП.

Рисунок 3.5 - Типовые структуры распределенных АСУ ТП:

а - радиальная, б - магистральная, в - кольцевая

Радиальная структура взаимодействия подсистем (рис.3.5,а) отражает традиционно применявшийся способ соединения устройств с выделенными линиями связи и характеризуется следующими особенностями:

а) существуют отдельные, не связанные между собой линии, объединяющие центральную подсистему (ЦП) с локальными системами автоматики ЛА i ;

б) технически просто реализуются устройства сопряжения УС 1 -УС m локальной автоматики. Центральное устройство связи УСЦ представляет собой набор модулей типа УС i по числу линий либо достаточно сложное устройство мультиплексирования каналов передачи информации;

в) обеспечиваются максимальные скорости обмена по отдельным линиям при достаточно высокой производительности вычисли­тельных устройств на уровне ЦП;

г) надежность подсистемы связи в значительной степени зависит от надежности и живучести технических средств ЦП. Выход из строя ЦП практически разрушает подсистему обмена, так как все потоки информации замыкаются через верхний уровень.

Распределенная система с радиальной структурой является двухуровневой системой, где на нижнем уровне в подсистемах реализуются необходимые функции контроля, регулирования, управления, а на втором - в ЦП координирующая микроЭВМ (или мини-ЭВМ) кроме координации работы микроЭВМ-сателлитов осуществляет оптимизацию задач управления ТОУ, распределение энергии, управляет технологическим процессом в целом, вычисляет технико-экономические показатели и т.п. Вся база данных в распределенной системе с радиальной структурой должна быть доступной координирующей микроЭВМ для прикладных программ управления на верхнем уровне. Вследствие этого координирующая микроЭВМ работает в режиме реального времени и должна управляться с помощью языков высокого уровня.

На рис.3.5 (б, в) изображены кольцевая и шинная топологии взаимодействия уровней. Эти структуры имеют ряд достоинств по сравнению с радиальной:

а) работоспособность подсистемы связи, включающей в себя канал и устройства связи, не зависит от исправности технических средств на уровнях автоматизации;

б) имеются возможности подключения дополнительных устройств и контроля всей подсистемы с помощью специальных средств;

в) необходимы значительно меньшие затраты кабельной продукции.

За счет обмена информацией между ЛА i через канал связи и УС («каждый с каждым») появляется дополнительная возможность динамического перераспределения функций координа­ции совместной работы подсистем ЛА по нижним уровням в случае выхода из строя ЦП. Шинная (в меньшей степени кольцевая) структура обеспечивает широковещательный режим обмена между подсистемами, что является важным преимуществом при реализации групповых команд управления. Вместе с тем шинная и кольцевая архитектура предъявляет уже значительно более высокие требования к «интеллекту» устройств сопряжения, а следовательно, повышенные единовременные затраты на реализацию базовой сети.

Сравнивая кольцевую и шинную топологии подсистемы связи, следует отметить, что организация кольцевой структуры менее дорогостоящая, чем шинная. Однако надежность всей подсистемы с кольцевой системой связи определяется надежностью каждого устройства сопряжения и каждого отрезка линий связи. Для повышения живучести необходимо применение двойных колец или дополнительных линий связи с обходными путями. Работоспособность физического канала передачи для шинной архитектуры с трансформаторной развязкой не зависит от исправности устройств сопряжения, однако, как и для кольца, выход из строя любого устройства сопряжения в наихудшем случае приводит к полностью автономной работе отказавшего узла подсистемы, т. е. к потере функции управления от уровня ЦП автоматикой отказавшего узла.

Явным методом повышения живучести всей системы автоматики в случае отказа устройств согласования в подсистеме связи является дублирование устройств согласования в узлах подсистемы. В кольцевой структуре такой подход уже подразумевается при организации двойных колец и обходных путей. Если надежность непрерывного физического канала для нижней топологии не вызывает сомнений, то возможно дублирование только устройств сопряжения без применения резервного магистрального кабеля.

Более дешевым способом повышения надежности подсистемы связи является использование комбинированных структур, сочетающих в себе достоинства радиальных и кольцевых (магистральных) топологий. Для кольца число радиальных связей может быть ограничено двумя-тремя линиями, реализация которых дает простое и недорогое решение.

Оценка таких показателей распределенных АСУ ТП, как экономические (затраты на кабельную продукцию, трассировку кабеля, на разработку или приобретение сетевых средств, в том числе устройства связи и т. п.), функциональные (использование групповых операций передачи, интенсивность обме­на, возможность обмена «каждый с каждым»), а также показатели унификации и возможности эволюции сети (возможность простого включения дополнительных узлов-абонентов, тенденции к применению в АСУ ТП) и показатели надежности сети (отказ канала связи и устройств связи или сопряжения), позволяет сделать следующие выводы:

а) наиболее перспективной в смысле развития и использования является магистральная организация подсистемы связи;

б) функциональные возможности магистральной топологии не уступают возможностям кольцевой и радиальной;

в) надежностные показатели магистральной структуры достаточно удовлетворительные;

г) магистральная топология распределенной АСУ ТП требует больших единовременных затрат на создание и внедрение канала связи и устройств сопряжения.

Во многом благодаря этим особенностям магистральной структуры и модульной организации аппаратных и программных средств в современных АСУ ТП магистрально-модульный принцип построения технического обеспечения нашел преимущественное распространение.

Применение микропроцессоров и микроЭВМ позволяет эффективно и экономно реализовать принцип функциональной и топологической децентрализации АСУ ТП. Тем самым можно значительно повысить надежность и живучесть системы, сократить дорогостоящие линии связи, обеспечить гибкость функционирования и расширить область применения в народном хозяйстве комплексов технических средств, основным элементом которых является микроЭВМ или микропроцессор. В таких распределенных системах управления большое значение приобретает стандартизация интерфейсов , т.е. установление и применение единых норм, требований и правил, гарантирующих информационное объединение технических средств в типовых структурах АСУ ТП.

Лекция 9

При разработке проекта автоматизации в первую очередь необходимо решить, с каких мест те или иные участки объекта будут управляться, где будут размещаться пункты управления, операторские помещения, какова должна быть взаимосвязь между ними, т.е. необходимо решить вопросы выбора структуры управления. Под структурой управления понимается совокупность частей автоматической системы, на которые она может быть разделена по определенному признаку, а также пути передачи воздействий между ними. Графическое изображение структуры управления называется структурной схемой. Хотя исходные данные для выбора структуры управления и ее иерархии с той или иной степенью детализации оговариваются заказчиком при выдаче задания на проектирование, полная структура управления должна разрабатываться проектной организацией.

В самом общем виде структурная схема системы автоматизации представлена на рисунке 9.1. Система автоматизации состоит из объекта автоматизации и системы управле­ния этим объектом. Благодаря определен­ному взаимодействию между объектом авто­матизации и системой управления система автоматизации в целом обеспечивает тре­буемый результат функционирования объек­та, характеризующийся параметрами х 1 х 2 …х n

Работа комплексного объекта автоматизации характеризуется рядом вспомогательных па­раметров у 1 , у 2 , ..., y j , которые также должны контролироваться и регулироваться.

В процессе работы на объект посту­пают возмущающие воздействия f 1 , f 2 , ...,f i , вызывающие отклонения параметров х 1 , х 2 , х n от их требуемых значений. Информа­ция о текущих значениях х 1 , х 2 , х n , y 1 , y 2 , y n поступает в систему управления и сравнивается с предписанными им значе­ниями g j , g 2 ,..., g k , в результате чего система управления вырабатывает управляющие воз­действия Е 1 , E 2 , ..., Е m для компенсации от­клонений выходных параметров.

Рисунок 9.1 – Структурная схема системы автоматизации

Выбор структуры управления объектом автоматизации оказывает существенное влияние на эффективность его работы, снижение относительной стоимости системы управления, ее надежности, ремонтоспособности и т.д.

В общем случае любая система может быть представлена:

· конструктивной структурой;

· функциональной структурой;

· алгоритмической структурой.

В конструктивной структуре системы каждая ее часть представляет собой самостоятельное конструктивное целое (рисунок 9.1).

В конструктивной схеме присутствуют:

· объект и система автоматизации;

· информационные и управляющие потоки.

В алгоритмической структуре каждая часть предназначена для выполнения определенного алгоритма преобразования входного сигнала, являющегося частью всего алгоритма функционирования системы.

Проектировщик разрабатывает алгоритмическую структурную схему (АСС) объекта автоматизации по дифференциальным уравнениям или графическим характеристикам. Объект автоматизации представляется в виде нескольких звеньев с различными передаточными функциями, соединенными между собой. В АСС отдельные звенья могут не иметь физической целостности, но соединение их (схема в целом) по статическим и динамическим свойствам, по алгоритму функционирования должно быть эквивалентно объекту автоматизации. На рисунке 9.2 дан пример АСС АСУ.

Рисунок 9.2 – Алгоритмическая структурная схема, представленная в виде простых звеньев

В функциональной структуре каждая часть предназначена для выполнения определенной функции.

В проектах автоматизации изображают конструктивные структурные схемы с элементами функциональных признаков. Полные сведения о функциональной структуре с указанием локальных контуров регулирования, каналов управления и технологического контроля приводятся в функцио­нальных схемах (лекция 10).

Структурная схема АСУ ТП разрабатывается на стадии “Проект” при двухстадийном проектировании и соответствует составу системы. В качестве примера на рисунке 9.3 приведена структурная схема управления серно-кислотным производством.

Рисунок 9.3 – Фрагмент структурной схемы управления и контроля серно-кислотным производством:

1 – линия связи с цеховой химической лабораторией; 2 – линия связи с пунктами контроля и управления кислотным участком; 3 – линия связи с пунктом контроля и управления III и IV технологическими линиями

На структурной схеме отображаются в общем виде основные решения проекта по функциональной, организационной и технической структурам АСУ ТП с соблюдением иерархии системы и взаимосвязей между пунктами контроля и управления, оперативным персоналом и технологическим объектом управления. Принятые при выполнении структурной схемы принципы организации оперативного управления технологическим объектом, состав и обозначения отдельных элементов структурной схемы должны сохраняться во всех проектных документах на АСУ ТП.

Таблица 9.1 – Функции АСУ ТП и их условные обозначения на рисунке 9.3

На структурной схеме показывают следующие элементы:

1. технологические подразделения (отделения, участки, цеха, производства);

2. пункты контроля и управления (местные щиты, операторские и диспетчерские пункты, блочные щиты и т.д.);

3. технологический персонал (эксплуатационный) и дополнительные специальные службы, обеспечивающие оперативное управление;

4. основные функции и технические средства, обеспечивающие их реализацию в каждом пункте контроля и управления;

5. взаимосвязь между подразделениями и с вышестоящей АСУ.

Функции АСУ ТП шифруют и на схеме обозначают в виде чисел. Условные обозначения функций АСУТП на рисунке 9.3 приведены в таблице 9.1.

Структурная схема системы автоматизации выполняется по узлам и включает все элементы системы от датчика до регулирующего органа с указанием места расположения, показывая их взаимосвязи между собой.