Принципы построения структурных схем асу ТП: одноуровневые централизованные и децентрализованные, многоуровневые.

Под структурой управления понимается совокупность частей автоматической системы, на которые она мо­жет быть разделена по определенному при­знаку, а также пути передачи воздействий между ними. Графич. изображение струк­туры управления называется структурной схемой. Полная структура управле­ния должна разрабатываться проектной орга­низацией.

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

В самом общем виде структурная схема системы автоматизации представлена на рис. 8.1. 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 х1, х2,..., хn.

Рис. 8.1. Структурная схема системы автоматизации

К этим параметрам можно отнести, например, величины, характеризующие целе­сообразный конечный продукт технологиче­ского процесса, отдельные параметры, опре­деляющие ход технологического процесса, его экономичность, обеспечение безаварий­ного режима и т. д.

Кроме этих основных параметров, ра­бота комплексного объекта автоматизации характеризуется рядом вспомогательных па­раметров y1, y2,... yi, которые также должны контролироваться и регулироваться (например, поддерживаться постоянными). К такого рода параметрам можно отнести, например, величины, характеризующие ра­боту установок подготовки технологического пара, насосных станций оборотного водо­снабжения и т. д.

От этих установок требуется только по­дача на вход технологической установки сырья и энергоносителей с заданными пара­метрами. При этом необходимая дозировка подачи сырья и энергоносителей осуще­ствляется средствами управления, относя­щимися к технологической установке.

В процессе работы на объект посту­пают возмущающие воздействия f1, f2,... fi, вызывающие отклонения параметров x1, х2,..., хn от их требуемых значений. Информа­ция о текущих значениях x1, х2,..., хn, у1, у2,..., yi поступает в систему управления и сравнивается с предписанными им значе­ниями g1, g2,..., gk, в результате чего система управления вырабатывает управляющие воз­действия ε1, ε2… εm для компенсации от­клонений выходных параметров.

Таким образом, объект автоматизации в общем случае состоит из нескольких в боль­шей или меньшей степени связанных друг с другом участков управления. Участки управ­ления физически могут представляться в виде

отдельных установок, агрегатов и т. д. или в виде локальных каналов управления от­дельными параметрами одних и тех же уста­новок, агрегатов и т. д.

В свою очередь, система управления в за­висимости от важности регулируемых пара­метров, круга работников эксплуатационного персонала, которым необходимо знать их значения для осуществления оптимального управления объектом, в общем случае долж­на обеспечивать разные уровни управления объектом автоматизации, т. е. должна со­стоять из нескольких пунктов управления, в той или иной степени взаимосвязанных друг с другом.

С учетом изложенного структуры управ­ления объектом автоматизации могут быть в частных случаях одноуровневыми централи­зованными, одноуровневыми децентрализован­ными и многоуровневыми. Одноуровневые системы управления, в которых управление объектом осуществляется с одного пункта управления, называются централизованными. Одноуровневые системы, в которых отдель­ные части сложного объекта управляются из самостоятельных пунктов управления, назы­ваются децентрализованными.

Структурные схемы одноуровневых цент­рализованных и децентрализованных си­стем приведены на рис. 8.2, на котором стрел­ками показаны только основные потоки пере­дачи информации от объекта управления к системе управления и управляющие воз­действия системы на объект управления. На рис. 8.2 отдельные части сложного объекта управления, управляемые соответственно с пунктов ПУ1 — ПУ3, разделены штрихо­выми линиями.

Одноуровневые централизованные си­стемы применяются в основном для управ­ления относительно несложными объектами или объектами, расположенными на неболь­шой территории. Большинство промышлен­ных объектов в настоящее время представ­ляет собой сложные комплексы, отдельные части которых расположены на значитель­ном расстоянии друг от друга.

 

 

Рис. 8.2. Примеры одноуровневых систем управления:

а – централизованная система; б - децентрализованная система

 

Рис. 8.3. Пример трехуровневой системы управления:

I – III – уровни управления

 

Кроме основ­ных технол. установок, объекты имеют большое число вспомогат. установок-подобъектов (промышленные котель­ные, компрессорные, насосные станции обо­ротного водоснабжения, котлы-утилизаторы, очистные сооружения и т. п.), которые необ­ходимы для обеспечения технол. установок всеми видами энергии, а также для утилизации и нейтрализации остаточных продуктов технол. процесса.

Если управление такого комплексного объекта построить по одноуровневой центра­лизованной системе, то намного усложнятся коммуникации системы управления, резко возрастут затраты на ее сооружения и экс­плуатацию, центральный пункт управления получится громоздким. Переработка инфор­мации, большая часть которой является не­нужной для непосредственного ведения техно­л. процесса, представляет большие затруднения. Удаленность пункта управления от того или иного вспомогат. подобъекта затрудняет принятие оперативных мер по устранению тех или иных неполадок. В этом случае более приемлемой становится одноуровневая децентрализованная система управления.

С помощью одноуровневых си­стем не всегда представляется возможным оптимально решить вопросы управления технол. процессами. Это в первую очередь относится к сложным технол. процессам. Тогда целесообразно пере­ходить к многоуровневым системам управ­ления. В качестве примера на рис. 8.3 представлена трехуровневая система управления сложным объектом с разветвленными техно­л. связями между установками. Отдельные технол. установки управ­ляются децентрализованно с пунктов управ­ления 1 — 7. Это первый уровень управления. С пунктов 1 — 7 соответственно управляются объекты, имеющие существенную технологи­ческую взаимосвязь. В связи с этим наиболее ответственные регулируемые параметры установок передаются на пункты управления 8 — 10 второго уровня управления. Основные параметры, определяющие технол. процесс объекта в целом, могут управляться и контролироваться с пункта управления 11 третьего уровня.

Для первого уровня при проектировании целесообразно предусматривать три режима управления:

1) командами, поступающими от уровня более высокого ранга;

2) командами, формирующимися непо­средственно на первом уровне;

3) командами, поступающими как с уро­вня более высокого ранга, так и формирую­щимися непосредственно на первом уровне.

Для уровня второго ранга и выше воз­можны четыре режима работы:

1) аппаратура данного i-го ранга прини­мает и реализует в управляющие воздейст­вия команды (i + 1)-го ранга;

2) команды формируются непосред­ственно на аппаратуре i-го ранга;

3) все функции управления с i-го ранга передаются на аппаратуру (i — 1)-го ранга;

4) часть команд на аппаратуру i-го ранга поступает с (i + 1)-го ранга, часть команд формируется на i-м ранге, часть функций управления передана на аппаратуру (i— 1)-го ранга.

Аппаратура i-го ранга соответственно должна иметь переключатели режимов на три положения с четкой сигнализацией по­ложений.

Перевод аппаратуры с режима 1 на ре­жим 2 осуществляется по команде или с раз­решения оператора системы вышестоящего ранга.

Передача функций управления тем или иным параметром на нижестоящий ранг осу­ществляется только после приема команды о передаче и подтверждения оператора си­стемы нижестоящего ранга о готовности к принятию на себя тех или иных функций управления (формирования команд).

Многоуровневая структура системы уп­равления обеспечивает ее надежность, опера­тивность, ремонтопригодность. При этом легко решается оптимальный уровень централизации управления с минимальным количе­ством средств технологического контроля, управления и линий связи между ними.

АСУ ТП класси­фицируются на уровни классов 1, 2 и 3. К классу 1 (АСУ ТП нижнего уровня) отно­сятся АСУ ТП, управляющие агрегатами, установками, участками производства, не имеющие в своем составе других АСУ ТП. К классу 2 (АСУ ТП верхнего уровня) отно­сятся АСУ ТП, управляющие группами уста­новок, цехами, производствами, в которых отдельные агрегаты (установки) имеют свои локальные системы управления, не оснащен­ные АСУ ТП класса 1. К классу 3 (АСУ ТП многоуровневые) относятся АСУ ТП, объеди­няющие в своем составе АСУ ТП классов 1, 2 и реализующие согласованное управление отдельными технологическими установками или их совокупностью (цехом, производ­ством).

Построение систем автоматизации по уровням управления определяется как тре­бованиями снижения трудозатрат на их реа­лизацию, так и целями (критериями) управ­ления технологическими объектами.

В общем случае любая система может быть представлена конструктивной, функц-ой или алгоритмической структурой. В конструктивной структуре системы каждая ее часть представляет собой самостоятельное конструктивное целое.

В функц. структуре каждая часть предназначена для выполнения опреде­ленной функции, в алгоритмической — для выполнения определенного алгоритма пре­образования входной величины, являющегося частью алгоритма функционирования систе­мы в целом.

В проектах автоматизации изображают конструктивные структурные схемы с элемен­тами функц. признаков.

Полные сведения о функц. структуре с указанием локальных контуров регулирования, каналов управления и техно­л. контроля приводятся в функц. схемах.

Алгоритмические структурные схемы по контурам регулирования крайне необходимы при производстве наладочных работ систем автоматизации.

25.Требования к оформлению структурных схем АСУ ТП и порядок их выполнения.

Структурные схемы автоматизации в проектах автоматизации рекомен­дуется разрабатывать в соответствии с ГОСТ 24.302–80 Система технич. документации на АСУ.

Графическое построение схемы должно давать наиболее наглядное представление о последовательности взаимодействия функциональных частей в изделии. На линиях взаимо­действия рекомендуется стрелками (по ГОСТ 2. 721-74) обозначать на­правления хода процессов, происхо­дящих в изделии.

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

функциональных схемах автоматизации, структурной схеме комплекса технических средств (КТС) системы, принципиаль­ных схемах контроля и управления, а также в проектных документах, касающихся орга­низации оперативной связи и организацион­ного обеспечения АСУ ТП.

Исходными материалами для разра­ботки структурных схем являются:

а) задание на проектирование АСУ ТП; б) принципиальные технол. схемы основного и вспомогат. произ­водств технол. объекта; в) задание на проектирование оператив­ной связи подразделений автоматизируемого технол. объекта; г) генплан и титульный список техноло­гического объекта.

Структурная схема разрабатывается на стадиях «проект» и «рабочий проект».

На структурной схеме показывают:

а) технол. подразделения автоматизируемого объекта (участки, цехи, производства);

б) пункты контроля и управления (мест­ные щиты, операторские и диспетчерские пункты и т. п.); в) технологический (эксплуатационный) персонал и специализированные службы, обеспечивающие оперативное управление и нормальное функционирование технологиче­ского объекта; г) основные функции и технические сред­ства (устройства), обеспечивающие их реализацию в каждом пункте контроля и управ­ления; д) взаимосвязь подразделений техноло­гического объекта, пунктов контроля и управ­ления и технологического персонала между собой и с вышестоящей АСУ.

Элементы структурной схемы изобра­жаются, как правило, в виде прямоугольни­ков. Отдельные функциональные службы и должност­ные лица (директор, главный инженер, на­чальник цеха, начальник смены, мастер и т. п.) допускается изображать на струк­турной схеме в виде кружков.

Внутри прямоугольников, изображаю­щих участки (подразделения) автоматизируе­мого объекта, раскрывается их производ­ственная структура.

На схеме функции АСУ ТП могут ука­зываться в виде условных обозначений, рас­шифровка которых дается в таблице на поле чертежа.

Наименование элементов производствен­ной структуры должны соответствовать тех­нол. части проекта и наименова­ниям, используемым при выполнении других документов проекта АСУ ТП.

Взаимосвязь между пунктами контроля и управления, технологическим персоналом и объектом управления изображается на схеме сплошными линиями. Слияние и раз­ветвление линий показываются на чертеже линиями с изломом.

При наличии аналогичных технологи­ческих объектов (цехов, отделений, участков и т. д.) допускается раскрывать на схеме структуру управления только для одного объекта. Об этом на схеме даются необхо­димые пояснения.

Структурные схемы выполняются, как правило, на одном листе. Таблица с услов­ными обозначениями распола­гается на поле чертежа схемы над основной надписью. При большом числе условных обозначений продолжение таблицы помещают слева от основной надписи с тем же порядком запол­нения.

Рекомен­дуется использовать для условных изображе­ний линии толщиной 0, 5 мм; для линий связи — 1 мм; для остальных линий — 0, 2 — 0, 3 мм.

Размеры цифр и букв для надписей выбирают в соответствии с ГОСТ 2. 304 — 81. Текстовую часть, помещенную на поле чертежа, распо­лагают над основной надписью.

26.Алгоритмическое обеспечение АСУ ТП: терминология и основные понятия, алгоритмы АСУ ТП.

Терминология

Алгоритм—совокупность предписаний, выполнение которых приводит к решению поставленной задачи.

Алгоритм управления — алгоритм, формализующий процесс управления некоторым объектом.

Алгоритмизации — процесс получения и формулирования алгоритма.

Алгоритмический язык — формальный язык, разработанный для представления алгоритмов.

Входной язык — см. «Алгоритмический язык».

Буквы - элементарные символы языка.

Слова – наименьшие смысловые единицы языка, представляющие собой последовательности букв.

Алфавит – набор букв, употребляемых в языке.

Выражение – синтаксическая форма, образованная из слов.

Идентификатор – произвольная последовательность букв, служащая для обозначения переменных, меток, функций, переключателей, процедур.

Описание – словесная характеристика некоторых свойств величин, используемых в программе, служащая для связи этих величин с идентификаторами.

Ассемблер – машинно-ориентированный язык программирования.

Мнемокод – см. «Ассемблер».

Процедурно-ориентированный язык – алгоритмический язык, не привязанный к конкретной ЭВМ (например, ФОРТРАН, АЛГОЛ-60).

Проблемно-ориентированный язык – алгоритмический язык, содержащий понятия и методы, связанные с данной областью науки, с определенным классом решаемых задач.

Оператор — указание о выполнении неко­торых вычислений или операций.

Основные понятия

Отличительные особенности алгоритмов управления, используемых в АСУ ТП:

1) тесная временная связь алгоритма с управляемым процессом;

2) хранение рабочих программ, реали­зующих алгоритмы управления в основной (оперативной) памяти УВМ для обеспечения доступа к ним в любой произвольный момент времени;

3) превышение удельного веса логических операций в алгоритмах АСУ ТП над удельным весом арифметических операций;

4) разделение алгоритмов АСУ ТП на функциональные части;

5) реализация на УВМ алгоритмов АСУ ТП в режиме разделения времени.

Учет временного фактора в алгоритмах управления сводится к необходимости фик­сации времени приема информации в систе­му, времени выдачи сообщений оператором для формирования управляющих воздей­ствий, прогнозирования состояния объекта управления и т. п. Необходимо обеспечить своевременную обработку сигналов УВМ, связанной с управляемым объектом. Это до­стигается составлением наиболее эффек­тивных (по быстродействию) алгоритмов, ре­ализуемых на быстродействующих УВМ.

Из второй особенности алгоритмов АСУ ТП вытекают жесткие требования к объему памяти, необходимой для реализации алго­ритма, т. е. к связности алгоритма. Третья особенность алгоритмов АСУ ТП обусловлена тем, что технологические про­цессы в большинстве случаев управляются на основе решений, принимаемых по резуль­татам сопоставления различных событий, сравнения значений параметров объекта, проверки выполнения различных условий и ограничений и т. п. Использование четвертой особенности алгоритмов АСУ ТП дает возможность раз­работчику сформулировать несколько задач АСУ ТП, а затем объединить разработанные алгоритмы этих задач в единую систему. Естественно, что степень взаимосвязи задач АСУ ТП может быть различной и в сильной степени зависит от конкретного объекта управления.

Для учета пятой особенности алгоритмов управления необходимо разрабатывать операционные системы реального времени и планировать очередность загрузки моду­лей, реализующих алгоритмы задач АСУ ТП, и их выполнение в зависимости от приоритетов.

При создании АСУ ТП различают следующие алгоритмы:

алгоритмы обнаружения событий; алгоритмы анализа ситуаций; алгоритмы подготовки советов и рекомендаций; алгоритм подготовки и принятия решений; алгоритмы вспомогательные.

Оформление алгоритмов АСУ ТП, условные обозначения на схемах алгоритмов работы АСУ ТП.

Оформление алгоритмов работы АСУ ТП производится в соответствии с ГОСТ 19.701 – 90 ЕСПД (ИСО 5807 - 85) «Схемы алгоритмов, программ, данных и систем». Прежде действовали ГОСТ 19.002 – 80 и ГОСТ 19.003 – 80, которые для сведения приводятся в справочнике ЭУМК.

Дадим комментарий ГОСТа. Область применения ГОСТа отражена в его названии. Он может применяться в схемах:

1) алгоритмов;

2) данных;

3) программ;

4) работы системы;

5) взаимодействия программ;

6) взаимодействия ресурсов систем.

 

Все регламентируемые ГОСТом символы делятся на четыре группы:

1. Символы данных (10 символов).

2. Символы процесса (7 символов).

3. Символы линий (4 символа).

4. Символы специальные (4 символа).

 

В каждой из 4-х групп есть основные символы и специфические символы.

Схемы алгоритмов, программ, данных и систем (далее – схемы) состоят из имеющих заданное значение символов, краткого пояснительного текста и соединяющих линий.

Схемы могут использоваться на различных уровнях детализации, причем число уровней зависит от размеров и сложности задачи обработки данных. Уровень детализации должен быть таким, чтобы различные части и взаимосвязь между ними были понятны в целом.

В настоящем стандарте определены символы, предназначенные для использования в документации по обработке данных, и приведено руководство по условным обозначениям для применения их в:

1) схемах данных;

2) схемах программ;

3) схемах работы системы;

4) схемах взаимодействия программ;

5) схемах ресурсов системы.

В стандарте используются следующие понятия:

1) основной символ-символ, используемый в тех случаях, когда точный тип (вид) процесса или носителя данных неизвестен или отсутствует необходимость в описании фактического носителя данных;

2) специфический символ-символ, используемый в тех случаях, когда известен точный тип (вид) процесса или носителя данных или когда необходимо описать фактический носитель данных;

3) схема-графическое представление определения, анализа или метода решения задачи, в, котором используются символы для отображения операций, данных, потока, оборудования и т.д.

Схемы данных отображают путь данных при решении задач и определяют этапы обработки, а также различные применяемые носители данных.

Схема данных состоит из:

1) символов данных (символы данных могут также указывать вид носителя данных);

2) символов процесса, который следует выполнить над данными (символы процесса могут также указывать функции, выполняемые вычислительной машиной);

3) символов линий, указывающих потоки данных между процессами и (или) носителями данных;

4) специальных символов, используемых для облегчения написания и чтения схемы.

Символы данных предшествуют и следуют за символами процесса. Схема данных начинается и заканчивается символами данных (за исключением специальных символов).

Схемы программ отображают последовательность операций в программе.

Схема программы состоит из:

1) символов процесса, указывающих фактические операции обработки данных (включая символы, определяющие путь, которого следует придерживаться с учетом логических условий);

2) линейных символов, указывающих поток управления;

3) специальных символов, используемых для облегчения написания и чтения схемы.

Схемы работы системы отображают управление операциями и поток данных в системе.

Схема работы системы состоит из:

1) символов данных, указывающих на наличие данных (символы данных могут также указывать вид носителя данных);

2) символов процесса, указывающих операции, которые следует выполнить над данными, а также определяющих логический путь, которого следует придерживаться;

3) линейных символов, указывающих потоки данных между процессами и (или) носителями данных, а также поток управления между процессами;

4) специальных символов, используемых для облегчения написания и чтения блок-схемы.

Схемы взаимодействия программ отображают путь активации программ и взаимодействий с соответствующими данными. Каждая программа в схеме взаимодействия программ показывается только один раз (в схеме работы системы программа может изображаться более чем в одном потоке управления).

Схема взаимодействия программ состоит из:

1) символов данных, указывающих на наличие данных;

2) символов процесса, указывающих на операции, которые следует выполнить над данными;

3) линейных символов, отображающих поток между процессами и данными, а также инициации процессов;

4) специальных символов, используемых для облегчения написания и чтения схемы.

Схемы ресурсов системы отображают конфигурацию блоков данных и обрабатывающих блоков, которая требуется для решения задачи или набора задач.

Схема ресурсов системы состоит из:

1) символов данных, отображающих входные, выходные и запоминающие устройства вычислительной машины;

2) символов процесса, отображающих процессоры (центральные процессоры, каналы и т.д.);

3) линейных символов, отображающих передачу данных между устройствами ввода-вывода и процессорами, а также передачу управления между процессорами;

4) специальных символов, используемых для облегчения написания и чтения схемы.

 

Описание символов

 

Основные символы данных

Данные

Символ отображает данные, носитель данных не определен.

Запоминаемые данные

Символ отображает хранимые данные в виде, пригодном для обработки, носитель данных не определен.