Загальні положення, поняття, визначення, терміни, категорії, що необхідні для опанування знань з дисципліни АТП.

В назві курсу АТП ключові слова: автоматизація та технологічній процес (ТП).

Розглянемо більш детально, що це означає. Є процес взагалі, тобто розвиток якого-небудь явища, послідовна зміна станів у розвитку чого-небудь, а є технологічний процес (ТП). ТП - це процес, де логічно пов’язані операції складають процес цілеспрямованої дії для досягнення певного результату. Це може бути зміна кількісних, якісних характеристик або форми якостей об’єкту, стану, властивостей, розташування у просторі. Будь який складний ТП можна розділити на більш прості, які зводяться до перенесення або перетворення певних ресурсів: енергії, речовини або інформації, тобто до окремих технологічних операцій. На виробництві майже вичерпний перелік операцій зводиться до наступних:

1) обробка (зміна геометричних чи фізичних параметрів);

2) зборка (виготовлення вузлів з окремих деталей);

3) розборка (розподілити комплект однакових деталей на кілька ланцюгів);

4) нарізка (отримання окремих деталей);

5) контроль (перевірка якості виробів та проведення сортування);

6) тренування (підвищення якості виробів);

7) іспити (перевірка якості та відповідності технічному завданню (ТЗ)).

Для кожного процесу треба сформулювати точну вимогу щодо його виконання. Сукупність правил, що однозначно вказують, як і в якій послідовності слід виконувати окремі технологічні операції з метою вирішення загального завдання, має назву алгоритму. Цей термін походить від імені математика і астронома Ал-Хорезмі Мухаммеда бен Муса (787 – 850 рр.), походженням із міста Хорезма.

У сучасному житті ми повсякденно зустрічаємось з різними інструкціями, правилами поведінки - і все це є алгоритми.

Як приклад, розглянемо алгоритм користування домашнім телефоном.

1. Зняти слухавку;

2. Почувши безперервний сигнал, набрати потрібний номер;

3. При протяжних гудках низького тону чекати відповіді абонента;

4. При коротких гудках покласти слухавку;

5. Через деякий час перейти до операції 1.

У технологічних процесах на об'єкт впливає навколишнє середовище. Цей вплив називають збурюючим або збурювальним, оскільки, як правило, він заважає реалізації заданого алгоритму.

Існують такі об'єкти, внутрішні властивості яких забезпечують заданий перебіг технологічного процесу навіть при збурювальних впливах. Такі властивості називають іманентними (внутрішньо притаманними даному об’єкту). Прикладом такого об’єкта може бути колісна пара рейкового транспорту. Рухаючись, колісна пара під впливом раптового поштовху зміщується, припустимо, праворуч, але завдяки конусності зовнішніх частин коліс коло котіння правого колеса стане більшим, ніж лівого. Тому при кожному оберті колісної пари праве колесо пройде більший шлях, ніж ліве, і тоді колісна пара поверне ліворуч. Тепер довжина кола котіння лівого колеса може стати більшою, ніж правого, і колісна пара зверне праворуч. Такі поперечні переміщення відбуваються при русі колісної пари по рейках безперервно, що особливо помітно в причіпному вагоні трамвая та в останніх вагонах залізничного составу.

Інший приклад – дріт в скляному балоні з воднем (баретер). В певних межах напруги баретер стабілізує струм. На жаль, таких об’єктів, внутрішні властивості яких гарантують реалізацію заданого алгоритму ТП при збурювальних впливах, дуже мало, - більшість об’єктів позбавлені цього. Збурювальні впливи порушують виконання заданого алгоритму, тому доводиться із зовні регулювати потік енергії або речовини, що надходить від джерела до об’єкту, тобто керувати процесом.

Для того, щоб енергію сил природи використати для приведення в дію якогось знаряддя праці чи виробництва, доводилося створювати цілі сукупності машин та механізмів, до яких входили як енергетичні, так і технологічні складові. Такий спосіб виробництва називається машинним.

На нижчій стадії машинного способу виробництва керування залишалося за людиною. Ця стадія отримала назву механізації виробництва (термін механізація походить від грецького μηχανή - знаряддя, пристрій).

Вищою стадією машинного способу виробництва є автоматизація, при якій і керування здійснюється за допомогою машин (термін автоматизація є похідним від слова автомат, що походить від грецького αύτόματο – самодіючий). Треба розрізняти автоматичні системи керування (керування виконується без участі людини) та автоматизовані (прийняття управлінських рішень залишається за людиною).

Таким чином, автоматика – це галузь науки і техніки, яка охоплює сукупність керуючих пристроїв, що дають змогу здійснювати трудові процеси без участі людини. Автоматизація являє собою практичне застосування автоматики для вирішення конкретних завдань управління технологічними процесами.

У наш час термін автоматика трактується занадто широко: автоматичним називають не тільки те, що функціонує без прямої участі людини, а й такі пристрої, які здаються самодіючими. Наприклад двері в транспортних засобах, таксофон, що забезпечує зв’язок через АТС, тип стрілецької зброї, що самозаряджується (наприклад, автомат Калашникова) тощо.

Сукупність керуючих впливів, спрямованих на те, щоб дійсний хід процесу відповідав бажаному, називають керуванням. Відомі два терміни в українській мові: управляти та керувати (аналогічно в російській: управлять и руководить). Якщо використовувати ці терміни відносно технічних систем, то можна вважати їх синонімами. Але деякі відмінності застосування цих термінів є, коли мова йде про керування людською спільнотою, бо кожна людина це надскладна система, що володіє можливістю приймати рішення, має вибір та волю втілювати свої рішення в залежності від сприйняття обставин (інколи свідоме прийняття рішень плутають з бажаннями). Звідси можна зробити висновок, що термін «системи автоматичного управління» (САУ) можна ідентифікувати як і «системи автоматичного керування» (САК). Але там, де людський фактор може мати вирішальне значення, залишають термін «управління»: автоматизовані системи управління (АСУ), управління (як процес, чи як інституція). В управлінні, як інституції, є керівник (очільник) управління (організації).

В керуванні передбачається, що існує деякий орган, який систематично або в міру необхідності виробляє керуючі впливи. Такий керуючий орган прийнято називати системою керування. Керування за звичай здійснюється через виконавчі органи, які змінюють даний хід процесу. Керування повинне бути цілеспрямованим, тобто керуючі впливи необхідно скоординувати між собою, щоб виключити можливість впливів, протилежних один одному.

Керування припускає наявність керованого об'єкта або групи об'єктів (живий організм або його частина, окремий механізм або технологічна установка, підприємство або галузь народного господарства й т.д.). Керуючий орган виробляє керуючі впливи, спрямовані на підтримку або поліпшення функціонування керованого об'єкта (об’єкта управління – ОУ) відповідно до наявної програми або мети керування. Процес керування - це цілеспрямований вплив керуючої системи на керовану, орієнтований на досягнення певної мети й такий, що використовує, головним чином, інформаційний потік. Оптимальне керування полягає у виборі найкращих керуючих впливів з безлічі можливих з урахуванням обмежень і на основі інформації про стан керованого об'єкта й зовнішнього середовища.

Управління колективами вважається однією з найбільш складних областей людської діяльності. У системах адміністративного і організаційного управлінні керуючий вплив полягає в прийнятті рішень, плануванні й оперативному керуванні, реалізованих на більш низьких рівнях керування, а також у контролі ухвалених рішень. Людей, що виконують ці функції, називають адміністраторами або керівниками. Застосовують терміни «менеджер» - керівник, керуючий - і «менеджмент» - адміністративне керування.

У виробничих системах людина за допомогою технічних засобів, якими вона маніпулює, безпосередньо управляє технологічним або виробничим процесом. Людину, що здійснює таке керування, називають оператором, а систему, складовим елементом якої є оператор, називають ергатичною (від грецького έργαςτικός - діяльний, енергійний).

Технологія в широкому сенсі – це обсяг знань, які можна використовувати для виробництва товарів і послуг з економічних ресурсів.

У вузькому сенсі технологія – це спосіб перетворення речовини, енергії, інформації в процесах виготовлення продукції, обробки і переробки матеріалів, збірки готових виробів, контролю їх якості, управління.

Технологія – це також наукова дисципліна, що розробляє і удосконалює способи і інструменти виготовлення продукції.

Якщо технологія спрямована на створення керуючого впливу, то це технологія керування.

Рівень керування виробничим процесом є найважливішим чинником, що визначає рівень ефективності виробництва.

У загальному випадку, система управління великим господарським виробництвом, в тому числі і ЖКГ, будується шляхом послідовного об'єднання систем управління окремими ТП за умови забезпечення максимальної універсальності систем, надійності і раціонального використання новітніх методів побудови автоматичних систем і технічних засобів. Така поетапна автоматизація дозволяє отримати найбільший ефект від впровадження автоматичних пристроїв при мінімальних витратах, пов'язаних з автоматизацією найважливіших ланок ТП.

Виконання цього завдання вимагає розподілу загального завдання управління за ієрархічним принципом, що визначає порядок взаємодії окремих частин системи, що управляє.

На нижньому рівні розташовують локальні системи автоматичного управління і взаємопов’язані типові ТП, що відповідають простим технологічним операціям і типовому устаткуванню. Технічні рішення з автоматизації таких ТП зазвичай є типовими. Завдання таких систем автоматичного управління — забезпечення ефективності управління і надійності роботи технологічного устаткування.

До складу технічних засобів локальних систем автоматики входять:

- автоматичні пристрої з апріорною або поточною інформацією про збурення, що діють по розімкненому ланцюгу, перетворення сигналу в дію, що управляє ОУ;

- автоматичні регулятори, що забезпечують стабілізацію заданого значення регульованої величини шляхом вироблення дії, що управляє, відповідно до відхилення цієї величини від заданого значення;

- засоби автоматичного контролю, які виконують функції вимірювання і реєстрації контрольованих параметрів процесу, а також сигналізації про досягнення цими параметрами встановлених граничних значень;

- системи оптимізації, що автоматично визначають і підтримують оптимальний режим проходження ТП.

Завдання побудови локальних систем управління ТП є першоетапним у вирішенні проблеми автоматизації управління виробництвом в цілому.

На вищому щаблі знаходяться системи управління такими складними ТП, які характеризуються великим об'ємом інформації, що переробляється, і не можуть управлятися автоматичним пристроєм без участі людини. В цьому випадку функції управління розподіляються між людиною-оператором і обчислювальною машиною, здатною переробити практично необмежений об'єм інформації. Цей щабель автоматизованого управління називають АСУ ТП, і класифіковані раніше локальні системи управління входять в її склад.

Використання ЕОМ в системі управління розширює можливості складних алгоритмів управління при великому числі змінних величин, що характеризують хід ТП. Участь людини в складній системі оперативного управління забезпечує високу ефективність і надійність функціонування останньої, дозволяє вирішити спеціальні проблеми інтелектуальних властивостей, що виникають із-за неповноти відомостей про автоматизований процес, забезпечать адаптацію АСУ ТП.

Зниження вартості і збільшення об'ємів випуску мікро-ЕОМ і мікроконтролерів змінило технічну базу автоматизації виробництва.

У загальному вигляді мікропроцесорний пристрій, що застосовується в системах управління — це спеціалізований обчислювальний пристрій, пристосований до роботи у виробничих умовах (багатофункціональний термінал), що включає, окрім власне мікропроцесора, також і засоби для обміну сигналами з ОУ (вимірювальні контролери і інтерфейсні блоки зв'язку). При цьому мікропроцесор, виконаний на одній або декількох великих інтегральних схемах, призначений для виконання логічних і арифметичних операцій за спеціальною програмою, що зберігається в пам'яті пристрою. Мікро-ЕОМ — це комплексний пристрій на базі мікропроцесора, що має блоки пам'яті, введення-виведення і сполучення.

Структурна схема мікропроцесорної системи управління на базі мікро-ЕОМ показана на рисунку 1.

Збурюючі впливи (дії зовні)

Керуючі впливи (алгоритм ТП)

До іншої ЕОМ

Параметри стану ОУ

 

Рис. 1. Структурна схема мікропроцесорної системи управління з мікро-ЕОМ.

1 — технологічний об'єкт управління; 2 — вимірювальні перетворювачі керуючих дій;

3 — вимірювальні перетворювачі вихідних параметрів ОУ; 4 — вимірювальні контролери;

5 — мікро-ЕОМ, що управляє; 6 — інтерфейсні блоки зв'язку з об'єктом;

7 — виконавчі механізми; 8 — інтерфейсні блоки зв'язку з периферією; 9 — дисплей;

10 — пульт оператора.

 

Алгоритми управління реалізовані у вигляді програм, що зберігаються в пам'яті ЕОМ. Інтерфейсні блоки служать для зв'язку ЕОМ з ОУ (з виконавчими механізмами і регулюючими органами) і периферійним устаткуванням (з пультом оператора і дисплеєм). Пульт оператор використовує для управління роботою мікро-ЕОМ, а дисплей надає оператору інформацію про стан устаткування, контрольованих параметрів і інших характеристик автоматизованого процесу. Збір і перетворення в цифрову форму інформації про хід ТП, що надходить від різних вимірювальних перетворювачів, здійснюються вимірювальними контролерами. До складу інтерфейсних блоків зв'язку і контролерів теж можуть входити мікропроцесори, що виконують ті операції по введенню-виведенню і попередній обробці інформації, які зазвичай виконує центральний процесор. При побудові систем управління складними об'єктами, що мають ступінчасту (ієрархічну) структуру, мікропроцесорну систему управління більш низького рівня пов'язують з тією, що знаходиться на більш високому рівні також через інтерфейсні блоки зв'язку.

Використання мікро-ЕОМ в системах управління має ряд особливостей в порівнянні з використанням її як універсальної ЕОМ, орієнтованої перш за все на взаємодію з користувачем (людиною). Завдання універсальних мікро-ЕОМ — обробка даних по запиту користувача, тому всі пристрої введення-виведення інформації (дисплеї, пристрої, що друкують, графічні пристрої, пристрої зовнішньої пам'яті і т. д.) підключаються до ЕОМ через свої блоки сполучення по запиту користувача.

Залежно від досягнутого рівня досконалості технічного і програмного забезпечення мікро-ЕОМ, що управляє, може працювати в одному з трьох режимів (рис. 2).

Рис. 2. Режим роботи мікро-ЕОМ в системах управління ТП

а — режим, що інформаційно радить; б — режим супервізорного управління;

в — режим безпосереднього цифрового управління; 1 — технологічний об'єкт управління;

2 — локальні автоматичні системи; 3 — пункт контролю і управління; 4 — мікро-ЕОМ,

яка управляє; 5 — оператор.

 

У режимі, що інформаційно радить (рис. 2а), вона видає операторові рекомендації по управлінню ТП, які він аналізує і, або приймає, або відкидає, видаючи своє рішення на підставі поточної інформації і попереднього досвіду.

Ухвалене рішення реалізують вручну, через пульт контролю і управління. Основна важкість завдання управління (автоматичні регулювання, захист і сигналізація) лягає на локальні автоматичні системи.

У режимі супервізорного управління (рис. 2б) контроль і корекцію роботи САУ виконує мікро-ЕОМ і оператор втручається в роботу автоматичних систем тільки у разі виявлення тих або інших порушень ходу ТП.

У режимі прямого цифрового управління (рис. 2в), якому притаманний високий ступінь надійності, мікро-ЕОМ безпосередньо впливає на ТП через виконавчі механізми.

Різноманіття вимог, що пред'являються до технічних систем, породжує безліч конструктивних рішень для елементів автоматичних систем. При автоматизації конкретних виробництв прагнуть обмежити номенклатуру використовуваних технічних засобів, які вибирають перш за все з числа стандартних і спеціалізованих елементів, що пройшли практичну перевірку.

Чисельність операцій, що виконуються елементами автоматики (отримання, посилення, перетворення вхідних сигналів, передача контрольної і виконання командної інформації, обчислення початкових сигналів за їх дискретним уявленням, розподіл вихідного сигналу по окремих ланцюгах його передачі і інші операції), вимагає орієнтації на функціональні блоки, що об'єднують декілька елементів визначених типів і задовольняють комплексу загальнотехнічних і спеціальних (технологічних) вимог.

Спеціальні (галузеві) елементи і блоки автоматики призначені для використання на конкретному устаткуванні. Важлива вимога, що пред'являється до цих пристроїв автоматики — їх універсальність, тобто можливість застосування в різних ТП і умовах експлуатації.

Основою для застосування одного і того ж приладу або регулятора в різних автоматичних системах з різними вимірювальними перетворювачами (датчиками) служить ідентичність параметрів вихідного електричного сигналу.

Існують типові вимірювальні перетворювачі, що дозволяють вимірювати і перетворювати в електричний сигнал практично будь-який технологічний параметр. Це дозволяє задовольнятись обмеженим числом перетворювачів, регулюючих пристроїв і виконавчих механізмів для автоматизації систем управління різного призначення.

В результаті автоматизації ТП безпосередня участь людини в системі управління не є необхідною, тим більше що технічні засоби перевершують людину по фізичних характеристиках, по надійності роботи при виконанні тих чи інших операцій, що повторюються, можливості зберігати інформацію і так далі.

В зв'язку з цим можливі декілька варіантів оперативного управління ТП.

Децентралізований контроль і управління, при якому оператор виконує всі функції по обслуговуванню локальних систем автоматичного управління послідовно для всіх об'єктів. Первинна інформація, визначена сукупністю значень змінних параметрів процесу, утворюється і представляється за допомогою засобів контрольно-вимірювальної техніки.

Централізований контроль і управління, при якому функції управління виконує, як і раніше, оператор, але вже з робочого місця в центральному диспетчерському пункті, куди надходить інформація про хід ТП, що пройшла первинну обробку, селекцію, узагальнення, зіставлення і так далі.

Автоматизоване управління, при якому функції управління певною мірою здійснює людина із застосуванням розвинених технічних засобів і ЕОМ.

Автоматичне управління, при якому роль оператора зводиться тільки до спостереження за роботою системи, обслуговування ЕОМ і зміні різних завдань по управлінню ТП.

 

Питання та завдання для самоконтролю.

1. Дайте означення поняттю «технологія» і визначте що таке є технологічний процес.

2. Поясніть особливості основних видів автоматизації.

3. Поясніть принцип дії автоматичної системи управління.

4. Як класифікують автоматичні системи управління?

5. Наведіть схему і принцип роботи мікропроцесорної системи управління.

6. Яка різниця між керуванням і управлінням?