Лекция по курсу "Введение в специальность". Общая характеристика АСУ

1. Введение в специальность
Часть 3. Общая характеристика АСУ
1
(©) Владислав Лавров, vlavrov.com

2. Управление
(©) Владислав Лавров, vlavrov.com
– это совокупность воздействий на систему, переводящих её в требуемое целевое
состояние
Автоматизированная информационная система
– это искусственно созданная человеком взаимосвязанная совокупность средств
(в том числе и компьютерных), методов и персонала, используемых для
получения, хранения, обработки, манипулирования и выдачи информации в
интересах достижения поставленной цели
3.1. Понятие АСУ и АСУ ТП
– это совокупность технологического оборудования и реализованного на нем
технологического процесса
Технологический объект управления (ТОУ)
2

3. Автоматизированная система управления технологическим процессом
(АСУ ТП)
(©) Владислав Лавров, vlavrov.com
– совокупность технических и программных средств,
предназначенных для автоматизации управления
технологическим оборудованием
на промышленных предприятиях.
Под АСУ ТП обычно понимается целостное решение, обеспечивающее автоматизацию
основных операций технологического процесса на производстве в целом или каком-то
его участке, выпускающем относительно завершённое изделие.
Понятие «автоматизированный», в отличие от понятия
«автоматический», подчёркивает необходимость участия
человека в отдельных операциях, как в целях сохранения
контроля над процессом, так и в связи со сложностью или
нецелесообразностью автоматизации отдельных операций.
3

4. (©) Владислав Лавров, vlavrov.com
АСУ ТП имеет следующие существенные признаки:
• содержит средства вычислительной техники;
• обеспечивает протекание технологического процесса в темпе с процессом;
• в выработке и реализации решений по управлению ТП участвуют средства
вычислительной техники и человек-оператор.
4

5. (©) Владислав Лавров, vlavrov.com
Автоматизированная система управления предприятием (АСУП)
– комплекс программных, технических, информационных, лингвистических,
организационно-технологических средств и действий квалифицированного
персонала, предназначенный для решения задач планирования и управления
различными видами деятельности предприятия.
5

6. 3.2. Структура информационной системы
(©) Владислав Лавров, vlavrov.com
6

7. Автоматизированная информационная система в общем случае
осуществляет следующие операции
(©) Владислав Лавров, vlavrov.com
1. Сбор, первичная обработка и оценка достоверности информации.
2. Преобразование информации, т.е. возможное преобразование информации
(перекодирование, перезапись), когда способ представления информации или её
носитель не совместимы с блоком её использования.
3. Передача информации в пункт хранения.
4. Хранение информации.
5. Возможная вторичная обработка, когда полученную информацию нельзя
использовать непосредственно, т.е. когда она в том виде, в каком есть, не может
вызвать требуемого управляющего воздействия.
6. Передача информации и выдача информации пользователю (представление
информации).
7. Компьютерная поддержка принятия решений.
8. Использование информации лицом, принимающим решение, для осуществления
задач управления. 7

8. (©) Владислав Лавров, vlavrov.com
Главная цель информационных систем в металлургии
– это создание эффективной и надёжной информационной структуры анализа
сквозной технологии, пригодной к промышленному использованию.
Под сквозной технологией в чёрной металлургии для предприятий с полным
металлургическим циклом обычно понимают комплекс технологических операций в
системе «подготовка руд к плавке – доменный передел – сталь – металлопрокат».
8

9. 3.3. Уровни автоматизированной информационной системы
промышленного предприятия
АСУ ТП
АСУП
Технологический объект
Input / Output
Control
SCADA
MES
MPR
ERP
Manufacturing
Resource Planning
Enterprise Resource
Planning
Manufacturing
Execution
Systems
Supervisory
Control and
Data Acquisition
Control Level
Input /
Output
Level
Планирование ресурсов предприятия
(бухгалтерия, снабжение, маркетинг и др.).
Управление ресурсами предприятия
Система исполнения производства
(управление технологией)
Диспетчерская система сбора и
управления (система оперативного
управления технологическим
процессом)
Сбор данных и
непосредственное
управление, основанные на
использовании датчиков,
регуляторов,
исполнительных
механизмов
Ввод-вывод
информации (датчики,
исполнительные
механизмы,
регулирующие органы)
Уровни автоматизированной информационной системы
промышленного предприятия
Программное
обеспечение
Технические
средства
Модели
R/3 (SAP, Германия), Oracle
Applications (Oracle, США), IFS
Applications (IFS, Швеция),
TRITON (BAAN, Бельгия),
«Галактика» («Галактика»,
Россия), СУБД Oracle, SQL
Server
СУБД SQL Server, АРМ
специалистов управления
технологией.
Операционные системы
общего назначения
СУБД SQL Server, Access,
ППП SCADA (InTouch,
WinCC), операционные
системы общего назначения,
АРМ оперативно-
технического персонала
Операционные системы
реального времени (OS-9, QNX
и др.), СУБД реального времени
(Industrial SQL Server и др.),
программное обеспечение
программируемых
контроллеров (InControl,
ISaGRAF)
Сетевое оборудование
Internet/Intranet (шлюзы,
марштутизаторы,
коммутаторы), SAN, NAS,
DAS, RAID).
Многопроцессорные
системы, ПК общего
назначения
Сетевое оборудование
локальных сетей
(коммутаторы,
концентраторы), NAS,
DAS, RAID. ПК общего
назначения.
Сетевое оборудование
Internet/Intranet (шлюзы,
марштутизаторы,
коммутаторы), SAN, NAS,
DAS, RAID). ПК общего
назначения
Оборудование
промышленных сетей (field
level), программируемые
логические контроллеры
(PLC) (Siemens, Smart и
др.), промышленные
компьютеры.
Оборудование
промышленных сетей
(sensor/actuator level,
интеллектуальные
датчики, исполнительные
механизмы
Модели сбора и
первичной обработки
технологической
информации
Линейные, нелинейные
динамические модели
локальных систем
управления. Цифровые
модели локального
управления
Упрощенные
математические
модели
технологического
процесса, модели
реального времени
Полные математические
модели технологического
процесса,
оптимизационные
модели управления
технологией
Модели управления
предприятием,
снабжением,
планированием
поставок сырья,
топлива и т.п.
CASE-технологии,коммуникационныепакетыприкладныхпрограмм
(©) Владислав Лавров, vlavrov.com
9

10. Уровень Input/Output (ввод/вывод данных)
(©) Владислав Лавров, vlavrov.com
Набор датчиков, исполнительных механизмов и других устройств, предназначенных
для сбора первичной информации и реализации управляющих воздействий
10

11. Уровень Control Level (управление)
(©) Владислав Лавров, vlavrov.com
Предназначен для непосредственного управления производственным процессом с
помощью различных устройств связи с объектом (УСО), программируемых
логических контроллеров (ПЛК, PLC – Programmable Logic Controller) или (и)
промышленных (индустриальных) компьютеров (PC, ПК).
Уровень управления Control характеризуется следующими показателями:
• предельно высокой реактивностью режимов реального времени;
• предельной надёжностью (на уровне надёжности основного оборудования);
• функциональной полнотой взаимодействия с уровнем Input/Output;
• возможностью автономной работы при отказах комплексов управления
верхних уровней;
• возможностью функционирования в сложных цеховых условиях.
11

12. Уровень SCADA (Supervisory Control and Data Acquisition
– сбор данных и диспетчерское управление)
(©) Владислав Лавров, vlavrov.com
Осуществляется диспетчеризация систем сбора данных и оперативное управление
технологическим процессом, принимаются тактические решения, прежде всего
направленные на достижение стабильности процесса.
12

13. Пример. Фрагмент экрана SCADA-системы мастера доменной печи
(©) Владислав Лавров, vlavrov.com
Уровень SCADA (продолжение)
13

14. Уровень SCADA (продолжение)
(©) Владислав Лавров, vlavrov.com
Уровень SCADA должен обеспечивать:
• диспетчерское наблюдение за технологическим процессом по его графическому
отображению на экране в реальном масштабе времени;
• расчёт и выбор законов управления, настроек и уставок, соответствующих
заданным показателям качества управления и текущим (или прогнозным)
параметрам объекта управления;
• хранение и дистанционную загрузку управляющих программ в PLC;
• оперативное сопровождение моделей объектов управления типа «агрегат»,
«технологический процесс», корректировку моделей по результатам обработки
информации от первого уровня;
• ведение единой базы данных технологического процесса (реальное время);
• контроль работоспособности оборудования первого уровня, реконфигурацию
комплекса для выбранного режима работы;
• связь с вышестоящим уровнем
14

15. Уровень MES (Manufacturing Execution Systems – системы
исполнения производства, управление технологией)
(©) Владислав Лавров, vlavrov.com
Уровень выполняет упорядоченную обработку информации о ходе производства
продукции в различных цехах, обеспечивает управление качеством, а также является
источником необходимой информации в реальном времени для самого верхнего
уровня управления.
Решение этих задач на данном уровне управления обеспечивает оптимизацию
управления ресурсами цеха (группы цехов) как единого организационно-
технологического комплекса по заданиям, поступающим с верхнего уровня, и при
оперативном учёте текущих параметров, определяющих состояние объекта
управления.
15

16. Уровень ERP, MRP
(©) Владислав Лавров, vlavrov.com
Управление всеми ресурсами предприятия (ERP, Enterprise Resource Planning),
или планирование ресурсов производства, т.е. материальных ресурсов
(MRP, Manufacturing Resource Planning)
Отвечает за работу предприятий в целом. Это автоматизация бухгалтерского учёта,
управления финансами и материально-техническим снабжением, организацией
документооборота, анализом и прогнозированием и др.
16

17. (©) Владислав Лавров, vlavrov.com
• Информационные
• Управляющие
• Вспомогательные
3.4. Функции АСУ ТП
17

18. (©) Владислав Лавров, vlavrov.com
– это функции системы, содержанием которых является сбор, обработка и
представление информации для последующей обработки.
К информационным функциям АСУ ТП относят:
• централизованный контроль и измерение технологических параметров;
• вычисление параметров процесса;
• формирование и выдачу текущих и обобщающих технологических и
экономических показателей оперативному персоналу АСУ ТП;
• подготовку и передачу информации в смежные системы управления.
Таким образом, основу информационных функций составляют такие, результатом
выполнения которых являются представление оператору или какому-либо
внешнему получателю информации о ходе процесса в технологическом объекте
управления.
Информационные функции АСУ ТП
18

19. (©) Владислав Лавров, vlavrov.com
Включают в себя действия по выработке и реализации управляющих воздействий на
технологический объект управления.
К управляющим функциям АСУ ТП относят:
• регулирование (стабилизацию) отдельных технологических переменных;
• логическое управление операциями или аппаратами;
• программное логическое управление оборудованием;
• оптимальное управление установившимися или переходными режимами или
отдельными стадиями процесса, адаптивное управление объектов в целом и др.
Управляющие функции АСУ ТП
РегулированиеСтабилизация
19

20. (©) Владислав Лавров, vlavrov.com
Состоят в обеспечении контроля за состоянием функционирования технических и
программных средств системы.
Вспомогательные функции АСУ ТП
20

21. (©) Владислав Лавров, vlavrov.com
3.5. Принципы построения АСУ ТП
Создание АСУ сложными технологическими процессами осуществляется с
использованием автоматических информационных систем сбора данных и
вычислительных комплексов, которые постоянно совершенствуются по мере
эволюции технических средств и программного обеспечения.
Развитие АСУ ТП включает три этапа, обусловленных появлением качественно
новых научных идей и технических средств.
21

22. (©) Владислав Лавров, vlavrov.com
Развитие средств АСУ ТП
1-й этап – внедрение систем автоматического
регулирования (САР)
• Объектами управления на этом этапе являются
отдельные параметры, установки, агрегаты.
• Решение задач стабилизации, программного
управления, слежения переходит от человека
к САР.
• У человека появляются функции расчёта
задания и параметров настройки регуляторов.
22

23. (©) Владислав Лавров, vlavrov.com
Развитие средств АСУ ТП (продолжение)
2-й этап – автоматизация технологических процессов
• Объектом управления становится рассредоточенная в пространстве система.
• C помощью систем автоматического управления (САУ) реализуются всё более
сложные законы управления, решаются задачи оптимального и адаптивного
управления, проводится идентификация объекта и состояний системы.
• Внедрение систем телемеханики в управление технологическими процессами.
• Человек все больше отдаляется от объекта управления, между объектом и
диспетчером выстраивается целый ряд измерительных систем, исполнительных
механизмов, средств телемеханики, мнемосхем и других средств отображения
информации (СОИ).
23

24. (©) Владислав Лавров, vlavrov.com
Развитие средств АСУ ТП (продолжение)
3-й этап – автоматизированные системы управления
технологическими процессами
• Внедрение в управление технологическими процессами вычислительной
техники:
1) Вначале – применение микропроцессоров, использование на отдельных фазах
управления вычислительных систем.
2) Затем – активное развитие человеко-машинных систем управления,
инженерной психологии, методов и моделей исследования операций.
3) Наконец – диспетчерское управление
на основе использования
автоматических информационных
систем сбора данных и современных
вычислительных комплексов.
24

25. (©) Владислав Лавров, vlavrov.com
Идеология построения сложных АСУ ТП
Структура распределенной
информационной системы
Структура централизованной
информационной системы
Основные подходы:
• Централизованные системы
• Распределенные системы
25

26. (©) Владислав Лавров, vlavrov.com
Предпосылки перехода разработчиков систем АСУ ТП
к применению распределённых сетевых технологий
1. Экономическая целесообразность установки в цехе или на участке
нескольких локальных контроллеров или УСО, объединённых в единую сеть,
чем прокладка разветвлённых кабельных систем.
2. Стоимость работ по установке, тестированию, вводу в эксплуатацию и
сопровождению централизованной системы горазда выше, чем
распределённой.
3. Растущая потребность в «распределённом интеллекте».
26

27. (©) Владислав Лавров, vlavrov.com
Применение «открытых систем» (open systems)
Открытая система – это модульная система, которая допускает замену любого
модуля на аналогичный модуль другого производителя, имеющийся в свободной
продаже по конкурентоспособным ценам, а интеграция систем с другими системами
выполняется без преодоления чрезвычайных мер.
Открытость означает:
• отсутствие патентов или авторских прав на спецификацию стандарта и его
расширений;
• отсутствие лицензионной платы за использование стандарта;
• широкий доступ к спецификациям стандарта и его расширениям;
• получение спецификаций в результате открытого обсуждения и конкурса между
экспертами крупнейших промышленных ведущих мировых фирм-производителей
и пользователей;
• принадлежность прав собственности некоммерческим профессиональным
национальным и международным организациям
27

28. (©) Владислав Лавров, vlavrov.com
Свойства «открытых систем»
• модульность;
• расширяемость;
• масштабируемость;
• мобильность (переносимость);
• взаимозаменяемость с компонентами других производителей;
• интероперабельность (возможность совместной работы с компонентами других
производителей).
28

29. (©) Владислав Лавров, vlavrov.com
Управляющие вычислительные комплексы в промышленных автоматизированных
системах должны:
• иметь функционально-модульную структуру, легко конфигурироваться и
резервироваться;
• обеспечивать высокую производительность;
• соответствовать требованиям отказоустойчивости;
• отвечать обобщённым требованиям промышленного исполнения;
• быть масштабируемыми для построения многоуровневого распределения
иерархических систем на единой аппаратно-программной платформе;
• отвечать стандартам и требованиям открытых систем, обеспечивающим их
интеграцию с аппаратными и программными средствами различных
производителей;
• обеспечивать интеграцию в локальные офисные и промышленные сети;
• иметь базовое программное обеспечение и инструментальные средства
проектирования отказоустойчивых АСУ ТП в различных операционных системах.
29
3.6. Обобщённая схема АСУ ТП

30. (©) Владислав Лавров, vlavrov.com
Автоматизированный технологический комплекс в металлургии как объект
контроля и управления характеризуется следующими признаками:
• большим объёмом контролируемых переменных и расчётных признаков;
• низкой прозрачностью процесса, из-за отсутствия возможности
непосредственного контроля развития отдельных стадий процесса;
• существенным запаздыванием в получении информации о выходных
показателях процесса, в связи с чем результаты непосредственного контроля
часто не позволяют определять первопричину расстройства хода
технологического процесса;
• глубокой взаимосвязью всех процессов плавки при ограниченности ресурсов на
управление;
• наличием случайных измерительных помех различной природы и характера, что
снижает качество информации.
30

31. (©) Владислав Лавров, vlavrov.com
31
Структура современной интеллектуальной системы управления
технологическим процессом
® O(t)
®
Z(t)
®
Подсистема распознавания
образов
Модель распознавания
образов.
настройка подсистемы
Подсистема оптимального
управления
Выбор критериев
оптимизации. Настройка
ограничений
подсистемы
Экспертная подсистема
реального времени
Модель знаний.
Настройка экспертной
подсистемы
Подсистема модельной
поддержки принятия
решения
Выбор и настройка
математических моделей
процесса
Подсистема мониторинга
технологической информации
Настройка подсистемы
мониторинга
Модель измерительной
подсистемы,
настройка подсистемы
Модель подсистемы
оценивания,
настройка подсистемы
Модели хранения, обработки,
извлечения
и представления информации,
настройка подсистемы
Информационно-
интерфейсный блок
Технологический объект
управления
UД
(t)
®
Лицо, принимающее решение
Измерительная подсистема
Подсистема хранения,
обработки, извлечения и
представления информации
Подсистема оценивания
EН
(t)
®
YД
(t)
®
EН
(t)
®
EК
Д
(t)
®
YИ
(t)
®
UИ
(t)
®
EК
И
(t)
®
Eк
о
(t)
®
Uо
(t)
®
Po
(t)
®
Yo
(t)
®
Y(t)
®
P(t)
®
UОБР
(t)
®
P(t)
EК(t)
®
U*(t)
®

32. (©) Владислав Лавров, vlavrov.com
32
Обобщённая схема информационной системы технологического процесса
Корпоративная сеть
предприятия
Сеть Ethernet TCP/IP
Операторская
станция
Операторская
станция
Операторская
станция
Коммуникационный
сервер
SQL Server
Промышленная сеть (Fieldbus, Canbus и т.п.)
I/O I/O
I/O I/O
HOST Компьютер Micro-SCADA
I/O I/O
Контроллеры
(VME, IUC, SMART I/O,
ABB, Siemens и др.)
PLC PLCPLC
Верхний
уровень
Средний
уровень
Нижний
уровень
SQL Server
реального времени

33. (©) Владислав Лавров, vlavrov.com
33
Обобщённая схема магистрально-модульной системы:
УСО – устройство связи с объектом; ПУ – периферийное устройство; КИ – коммуникационный интерфейс