Основа автоматизации технологических процессов -- это перераспределение материальных, энергетических и информационных потоков в соответствии с принятым критерием управления (оптимальности).
Основными целями автоматизации технологических процессов являются:
· Повышение эффективности производственного процесса.
· Повышение безопасности.
· Повышение экологичности.
· Повышение экономичности.
Достижение целей осуществляется посредством решения следующих задач:
· Улучшение качества регулирования
· Повышение коэффициента готовности оборудования
· Улучшение эргономики труда операторов процесса
· Обеспечение достоверности информации о материальных компонентах, применяемых в производстве (в т.ч. с помощью управления каталогом)
· Хранение информации о ходе технологического процесса и аварийных ситуациях
Автоматизация технологических процессов в рамках одного производственного процесса позволяет организовать основу для внедрения систем управления производством и систем управления предприятием.
Как правило, в результате автоматизации технологического процесса создаётся АСУ ТП.
Автоматизированная система управления технологическим процессом (АСУТП) -- комплекс программных и технических средств, предназначенный для автоматизации управления технологическим оборудованием на предприятиях. Может иметь связь с более глобальной Автоматизированной системой управления предприятием (АСУП).
Под АСУТП обычно понимается комплексное решение, обеспечивающее автоматизацию основных технологических операций технологического процесса на производстве, в целом или каком-то его участке, выпускающем относительно завершенный продукт.
Термин «автоматизированный» в отличие от термина «автоматический» подчеркивает возможность участия человека в отдельных операциях, как в целях сохранения человеческого контроля над процессом, так и в связи со сложностью или нецелесообразностью автоматизации отдельных операций.
Составными частями АСУТП могут быть отдельные системы автоматического управления (САУ) и автоматизированные устройства, связанные в единый комплекс. Как правило АСУТП имеет единую систему операторского управления технологическим процессом в виде одного или нескольких пультов управления, средства обработки и архивирования информации о ходе процесса, типовые элементы автоматики: датчики, контроллеры, исполнительные устройства. Для информационной связи всех подсистем используются промышленные сети.
В связи с различностью подходов различают автоматизацию следующих технологических процессов:
· Автоматизация непрерывных технологических процессов (Process Automation)
· Автоматизация дискретных технологических процессов (Factory Automation)
· Автоматизация гибридных технологических процессов (Hybrid Automation)
4. Автоматизированная система управления
Автоматизированная система управления или АСУ -- комплекс аппаратных и программных средств, предназначенный для управления различными процессами в рамках технологического процесса, производства, предприятия. АСУ применяются в различных отраслях промышленности, энергетике, транспорте и т. п. Термин автоматизированная, в отличие от термина автоматическая подчёркивает сохранение за человеком-оператором некоторых функций, либо наиболее общего, целеполагающего характера, либо не поддающихся автоматизации.
Виды АСУ:
· Автоматизированная система управления технологическим процессом (АСУ ТП) -- решает задачи оперативного управления и контроля техническими объектами в промышленности, энергетике, на транспорте;
· Автоматизированная система управления производством (АСУ П) -- решает задачи организации производства, включая основные производственные процессы, входящую и исходящую логистику. Осуществляет краткосрочное планирование выпуска с учётом производственных мощностей, анализ качества продукции, моделирование производственного процесса. Для решения этих задач применяются MIS и MES-системы, а также LIMS-системы.
5. Типовые технические решения при автоматизации технологических процессов
Общая задача управления ТП -- минимизация (максимизация) некоторого критерия (себестоимость, затраты энергии и т. д.) при выполнении ограничений на технологические параметры, налагаемые регламентом. Поскольку решение этой задачи для всего процесса в целом затруднительно, весь ТП следует разбить на отдельные участки, чтобы участок соответствовал законченной технологической операции (кормоприготовление, обработка молока и т. д.). Тогда для отдельной стадии ТП критерий оптимальности установить значительно проще.
Технологические процессы одного типа (например, процессы нагрева) могут различаться методами исполнения, физико-химическими свойствами участвующих в них потоков сырья и т. п. Однако все они подчиняются одним и тем же законам и общим закономерностям.
К числу технологических параметров, подлежащих контролю и регулированию, относят расход, уровень, давление, температуру и ряд показателей качества.
Регулирование расхода. Системы регулирования расхода характеризуются малой инерционностью и частой пульсацией параметра. Обычно системы управления расходом -- это дросселирование потока вещества с помощью клапана или шибера; изменение напора в трубопроводе за счет изменения частоты вращения лопастей насоса или степени байпасирования (отведения части потока через дополнительные каналы). Принципы действия регуляторов расхода G жидких и газообразных сред показаны на рис. 5.1.
.
Рис. 5.1 Схема регулирования расхода: а -- жидких и газообразных сред; б -- сыпучих материалов; FE, РЕ -- датчики расхода соответственно жидких сред и сыпучих материалов; FC, PC -- регуляторы расхода
Регулирование уровня. Системы регулирования уровня имеют те же особенности, что и системы регулирования расхода. Постоянство уровня свидетельствует о равенстве количеств подаваемой Gвх и расходуемой Gвых жидкости. Это условие может быть обеспечено воздействием на подачу или расход (рис. 5.2.)
Рис. 5.2 Схемы регулирования уровня: а -- с воздействием на подачу; б -- с воздействием на расход среды; LE -- датчик уровня; LC -- регулятор уровня
Регулирование давления. Постоянство давления, как и постоянство уровня, свидетельствует о материальном балансе объекта. Поэтому способы регулирования давления аналогичны способам регулирования уровня. Регулирование температуры. Температура -- показатель термодинамического состояния системы. Динамические характеристики САР температуры зависят от физико-химических параметров процесса и конструкции аппарата, поэтому общие рекомендации по синтезу САР температуры не могут быть сформулированы. Особенность САР температуры -- значительная инерционность объекта и нередко измерительного преобразователя. Принципы реализации регуляторов температуры аналогичны принципам реализации регуляторов уровня с учетом управления расходом энергии в объекте.
Регулирование pH продукта. Общая особенность объектов при регулировании pH -- нелинейность их статических характеристик. Следствие этого -- необходимость адаптации параметров настройки регулятора к нагрузке объекта.
6. Математическое описание объектов автоматизации
Классификация математических моделей. Поскольку многие современные ТП очень сложные, для создания САУ необходимо располагать математическим описанием процессов, происходящих как в самой системе, так и в ее элементах. Под математическим описанием (математической моделью) подразумевается совокупность уравнений и граничных условий, описывающих зависимость выходных величин от входных в установившемся и переходном режимах. В связи с этим различают математические модели двух классов:
· установившегося режима (статическая модель);
· переходного режима (динамическая модель);
Динамические модели имеют вид уравнений, описывающих изменение во времени выходных величин систем (элементов) в зависимости от изменения входных. Эти уравнения, как правило, записывают в дифференциальной форме. Их частный случай -- дифференциальные уравнения нулевого порядка (алгебраические уравнения) -- описывают установившийся режим. Таким образом, в общем случае математической моделью системы (элемента) с m входными {X1,X2,...,Xm=X } и n выходными координатами { Y1, Y2,...,Ym=Y } называют совокупность уравнений Y =F (X;a), однозначно описывающих поведение величины Y при заданных векторах X и a, где a -- характеристика системы (элемента).
Математическая модель может быть получена аналитическим или экспериментальным методом. В последнем случае она может быть детерминированной (выходная величина однозначно определяется входной) или статистической (входные воздействия носят случайный характер). Дифференциальные уравнения простых объектов автоматизации можно составить, используя закономерность происходящих в них физических явлений. Такими закономерностями могут быть закон сохранения вещества (объект регулирования уровня, давления), закон сохранения энергии (объект регулирования температуры), законы электротехники и т. д. Уравнения статических и переходных режимов составляют на базе уравнений балансов вещества или энергии.
При составлении дифференциальных уравнений сложного объекта (системы) он (она) должен быть расчленен(-а) на ряд простейших элементов, соединенных последовательно. Для каждого из этих элементов составляют математическую модель статики или динамики, а затем получают дифференциальное уравнение объекта (системы), исключая промежуточные величины. В большинстве случаев уравнения элементов нелинейны, и поэтому дифференциальное уравнение системы, как правило, тоже нелинейно и подлежит линеаризации.
С целью упрощения задачи при аналитическом методе построения математической модели допускают определенные упрощения (пренебрегают распределенностью параметров, исключают некоторые возмущающие воздействия и т. д.).
В качестве примера рассмотрим процесс вентиляции животноводческого помещения объемом V с содержанием диоксида углерода С0 (%) при производительности а (м3/мин). Входная величина объекта -- производительность вентиляторов, выходная -- концентрация диоксида углерода в помещении. Обозначим содержание диоксида углерода в воздухе в момент времени t через х (%). Составим за промежуток времени dt (мин), прошедший от момента t, баланс диоксида углерода, содержащегося в помещении. За это время вентиляторы доставили в помещение количество воздуха, равное 0,01С0adt. Следовательно, всего за период dt количество диоксида углерода (м3) в воздухе уменьшилось на dV = (0,01х - 0,01C0)adt.
Обозначив через dx процентное уменьшение количества диоксида углерода в воздухе, это же количество можно подсчитать по другой формуле:
Приравнивая между собой оба выражения для dV, составляем дифференциальное уравнение:
Разделяя переменные, находим:
Чтобы получить такое простое уравнение, пришлось допустить, что концентрация диоксида углерода во всех частях помещения в каждый момент времени одинаковая, т. е. чистый воздух смешивается с загрязненным практически мгновенно.
Методы идентификации объекта. Известны два метода экспериментального определения (идентификации) характеристик объектов автоматизации -- активный и пассивный. В первом методе испытательное воздействие стандартной формы задают искусственно, во втором -- объект исследуют, сопоставляя выходные и входные величины в условиях его нормальной эксплуатации.
Выбор метода идентификации объекта автоматизации определяется характером поставленной задачи, условиями опытов, характером эксплуатационных возмущений и допустимыми по технологическим требованиям отклонениями исследуемых величин.
Метод активного эксперимента по исследованию статических характеристик проводят в следующем порядке.
1. Изучают ТП, оборудование и устанавливают взаимные связи между входными х и выходными у координатами.
2. Каждую входную величину изменяют ступенчато в пределах рабочего диапазона и спустя (2…3)Ту (здесь Ту -- длительность переходного процесса) фиксируют значение выходной величины у. Например, для определения статических характеристик зимней теплицы с водяным обогревом следует установить ряд соотношений между расходом воды через регулирующий клапан и температурой воздуха в средней точке теплицы. При этом температуру следует измерять после стабилизации температурного режима сооружения. Опыт повторяют по каждому из каналов исследования многократно (обычно 6…10 раз).
3. Поскольку полученные зависимости y= f ( x1,x2...) могут быть искажены помехой, их следует сгладить, используя один из известных методов. Например, метод скользящего среднего или метод наименьших квадратов. При подборе аппроксимирующей функции необходимо учитывать два требования:
· функция должна с максимальной точностью воспроизводить реальную зависимость;
· функция должна быть простой и удобной для использования в качестве расчетной формулы.
При выборе вида аппроксимирующей функции целесообразно обратить внимание на известную информацию об изучаемом процессе. Вполне вероятно, что идентифицируемое явление ранее уже исследовалось и на сегодняшний день известны физические закономерности, определяющие взаимосвязь входных и выходных величин. В этих случаях для математического описания процесса могут быть использованы такие распространенные зависимости, как экспоненциальные, тригонометрические, а также двухпараметрические функции вида y=a+b/x; y= 1/a +bx = + 1/ ; y=1/ a=blnx и т.д.