Справочная

" - 1 2 4 b N O S А Б В Г Д Е Ж З И К Л м Н О П Р С Т У Ф Х Ц Ч Ш Щ Э

АВТОМАТИЗИРОВАННОЕ УПРАВЛЕНИЕ

АВТОМАТИЗИРОВАННОЕ УПРАВЛЕНИЕ химико-технологическимипроцессами, целенаправленное воздействие на них для достижения заданнойцели функционирования как самих процессов, так и построенных на их основехимико-технол. систем и произ-в с использованием информации об их текущеми предшествующих состояниях. Автоматизированное управление формируется и осуществляется без участиячеловека-оператора или при его участии в кач-ве звена в общей цепи управления,оценивающего альтернативные варианты решений, вырабатываемых системой управления.Согласно иерархии хим. произ-в, автоматизированное управление включает три уровня: 1) управлениеотдельными химико-технол. процессами и установками; 2) управление химико-технол.системами; 3) управление хим. произ-вом в целом. Все иерархич. уровни управлениявзаимосвязаны: снизу вверх, постепенно обогащаясь, поступает информацияо состоянии объектов управления, сверху вниз — управляющие воздействия,приводящие всю систему в необходимое состояние. Каждому уровню отвечаетрешаемая по соответствующим критериям определенная задача управления: первому- стабилизация материальных и энергетич. потоков, второму — оптимизациятехнол. режимов группы взаимодействующих процессов и аппаратов, третьему- оптимизация технико-экономич. показателей произ-ва.

Локальные системы автоматического регулирования. Автоматизированное управление химико-технол.процессами на первом уровне осуществляется с помощью локальных систем автоматич.регулирования (САР). Локальные САР — осн. звенья автоматизированной системы управления(АСУ) хим. произ-вом, т. к. они непосредственно воздействуют на физ.-хим.процессы.

Регулирование представляет собой частный случай управления, при к-ромжелаемое течение процесса достигается стабилизацией одной или несколькихфиз. величин относительно заданных их значений (постоянных или переменных).Критерий управления в САР-точность поддержания заданных технол. параметров,обеспечивающих макс. эффективность процессов (напр., макс. съем продукциис единицы объема аппарата).

Локальные САР можно классифицировать по принципу регулирования, а такжепо функциональному и энергетич. признакам. В первом случае САР подразделяютна системы регулирования по отклонению регулируемого параметра (т-ра, давление,концентрация, расход, уровень и т.д.), компенсации возмущающего воздействия(изменение нагрузки, состава питания и др.) и комбинированные.

В зависимости от функционального назначения САР м. б. стабилизирующими,следящими и программными. Стабилизирующая САР служит для поддержания регулируемогопараметра равным его заданному значению посредством компенсации возмущающихвоздействий. Эти САР широко применяют для стабилизации заданных технол.параметров (напр., т-ры в зоне хим. р-ции). Назначение следящей САР-изменятьрегулируемый параметр, произвольно изменяя его заданное значение. ПодобныеСАР используют при необходимости корректировать заданный режим процессав соответствии с изменившимися условиями (напр., изменять подачу пара вкуб ректификац. колонны при изменении кол-ва питания). Назначение программнойСАР-изменять регулируемый параметр согласно заранее известному закону измененияего заданного значения. Подобные системы применяют в осн. при управлениипериодич. процессами (напр., для изменения теплового режима в реакторе).Несмотря на различие функционального назначения, САР имеют одинаковую структуруи расчет их базируется на одних и тех же теоретич. принципах.

В соответствии с классификацией по энергетич. признаку, т. е. в зависимостиот вида энергии, используемой для передачи воздействий, применяют электрич.(электронные), пневматич. и гидравлич. системы регулирования. Стремлениеобъединить преимущества разл. по энергетич. признаку систем стало причинойпоявления комбинированных САР: электропневматических, электрогидравлическихи т.д. В подобных системах для выработки регулирующего воздействия можноприменять электрич. энергию, а для перемещения регулирующего органа-пневматическую.При этом гибкость электронных схем используется при построении регуляторов,располагаемых в диспетчерских, и сохраняются условия пожаро- и взрывобезопасностидля регулирующих органов, к-рые размещают непосредственно в цехах.

Математическое описание САР. Конкретную задачу автоматич. регулированияможно решить лишь при условии знания параметров данного процесса. При этомобъект регулирования является, как правило, неизменяемой частью системы,характеристики к-рой определяются процессом. Естественно, что св-ва объектарегулирования особенно важны при конструировании САР. Оптимальный результатдает совместное проектирование технол. процесса и системы управления им.

Св-ва пром. объектов, к-рые приходится учитывать при решении задач автоматизации,м. б. различны. Это прежде всего относится к процессам хим. технологии.Однако при всем многообразии их св-в и технол. задач все объекты ав-томатич.регулирования имеют ряд общих св-в (инерционность, распределенность и взаимосвязанностьпараметров, неустойчивость, запаздывание в каналах управления и др.).

Для описания типовых химико-технол. процессов в целях управления имииспользуют математические модели этих процессов (см. Моделирование).Такиемодели можно составлять на основе рассмотрения физ.-хим. характеристики эксплуатац. показателей процесса. При этом модели должны отражать какстатич. (стационарный режим), так и динамич. (нестационарный режим) характеристикипроцесса. Учитывая, что в теории автоматич. регулирования наиб. развитыи внедрены в инженерную практику методы анализа и синтеза линейных САР,мат. модели объекта регулирования необходимо линеаризовывать.

Для объектов с одним регулируемым параметром полученные тем или инымспособом мат. модели м. б. представлены в виде дифференц. ур-ния, передаточнойф-ции или амплитудно-фазовой (частотной) характеристики; для объектов снеск. регулируемыми величинами-в виде системы дифференц. (обыкновенныхили в частных производных) ур-ний, сигнальных графов, передаточных матрицили ур-ний состояния. Мат. модель объекта используют для формирования требуемогозакона управления, оптимально удовлетворяющего заданному критерию, и, вконечном счете, для синтеза САР.

В простейших, но наиб. распространенных на практике случаях применяютлинейные законы регулирования: пропорциональный (П), интегральный (И),дифференциальный (Д) или их комбинации: пропорционально-интегральный (ПИ),пропорционально-дифференциальный (ПД), пропорционально-интегрально-дифференциальный(ПИД).

Самонастраивающиеся САР. Рассмотренные законы регулирования успешноиспользуются, если св-ва объектов линейны и не изменяются во времени. Однаков пром. условиях характеристики объектов м. б. нелинейными, напр. зависящимиот нагрузки на аппарат, а также изменяться во времени (напр., активностькатализатора). Тогда с целью сохранения высокого кач-ва регулирования применяютадаптивные, или самонастраивающиеся, системы, к-рые при изменении характеристикобъекта автоматически изменяют параметры автоматич. регуляторов или дажеих структуру. При этом можно использовать разл. принципы самонастройки.

Применение адаптивных систем с эталонной моделью (мат. модель процессапри нормальном режиме) особенно эффективно для управления процессами хим.технологии с резко изменяющимися динамич. св-вами. Всякое изменение характеристикреального процесса оценивается по такой модели, в результате чего вырабатываетсякорректирующее воздействие для подстройки параметров автоматич. регулятора.

Другой тип самонастраивающихся САР-система экстремального регулирования,автоматически отыскивающая оптимальные значения регулирующих воздействийдля управления параметрами процесса.

Повышение кач-ва регулирования приводит к усложнению закона управления.Осуществление таких более сложных законов управления (самоорганизующиесяСАР, системы многосвязного регулирования и др.) возможно на базе современныхмини- и микро-ЭВМ.

Автоматизированные системы управления технологическими процессами.Локальные САР не только стабилизируют технол. параметры, но и могут такжевести процесс по заданной программе или изменять его режим по команде совторого уровня управления. На этом иерархич. уровне АСУ координирует работугруппы взаимосвязанных материальными и энергетич. потоками аппаратов (параллельноработающих колонн, каскада реакторов, агрегатов с рециклом и более сложныхкомплексов), к-рые образуют химико-технол. систему (ХТС). Ее назначениезаключается, как правило, в получении нек-рого целевого (или промежуточного)продукта заданного кач-ва с миним. затратами сырья и энергии. Указаннаяпостановка задачи определяет и осн. принцип управления-оптимизацию технол.режимов отдельных процессов и системы в целом для достижения экстремальногозначения принятого критерия управления.

В структуре хим. предприятия ХТС представляют собой отдельные цехи илипроиз-ва. Характеристики эффективности их функционирования-расходные нормыпо сырью, топливу, электроэнергии, греющему пару и охлаждающей воде, атакже экономич. показатели (производительность труда, себестоимость продукции,приведенные затраты, прибыль и др.).

Мат. модель ХТС содержит модели составляющих ее элементов (типовых процессовхим. технологии) и более сложна, т.к. включает не только мат. описанияпроисходящих в этих элементах физ.-хим. явлений, но и структуру технол.связей между элементами, а также экономич. оценки. Посредством такой обобщенноймодели с использованием разл. методов поиска экстремума на ЭВМ отыскиваетсяоптимальный режим функционирования ХТС. Найденные значения технол. параметров,соответствующих этому режиму, передаются на первый уровень в виде заданиялокальным САР и служат для АСУ второго уровня управляющими воздействиями.Поиск последних производится периодически в зависимости от частоты возмущенийв системе. Мат. модель также периодически уточняется и корректируется наоснове поступающей в АСУ информации о характеристиках реального технол.процесса. Эта информация м. б. собрана путем измерения при нормальных условияхтекущих характеристик процессов ХТС или как результат активного (специальноорганизованного) воздействия на систему. На этом уровне из-за сложностии громоздкости мат. моделей, полученных изучением физ.-хим. основ технол.процессов, в большей степени используются статистич. модели, к-рые построеныстатистич. аппроксимацией мат. моделей отдельных процессов или на базеэкспериментально-статистич. данных (регрессионных или корреляционных соотношениймежду параметрами входных и выходных материальных и энергетич. потоковХТС).

Сложность ХТС и иерархич. принципы управления обусловливают применениепри формировании законов управления принципов оптимизации и декомпозиции(см. Оптимизация). Последние позволяют провести декомпозицию большойзадачи оптимизации на последовательность меньших задач. В автоматизир.системе управления химико-технол. процессами (АСУТП) эти задачи решаютсяна двух уровнях: на первом подсистемы (элементы) ХТС оптимизируются независимодруг от друга, на втором полученные решения согласовываются для достиженияобщего оптимума системы. Найденные значения управляющих воздействий, к-рыеотвечают оптимальному режиму работы ХТС, передаются на настройки локальныхрегуляторов.

Кроме решения задач оптимизации, АСУТП выполняет след. ф-ции: собираети перерабатывает информацию о контролируемых технол. параметрах и состоянииоборудования; осуществляет защиту и блокировку ср-в автома-тич. управления,входящих в состав системы, и т. д.; дистанционно управляет пуском и остановкойаппаратуры, рассчитывает технико-экономич. показатели. ФункционированиеАСУТП технически реализуется с помощью спец. управляющих вычислит. машин(УВМ).

Автоматизированные системы управления предприятием. Совокупностьтехнол. процессов и систем, подлежащих управлению, и его техн. ср-в образуетавтоматизир. систему управления хим. предприятием (АСУП).

Эффективность работы предприятия. Хим. предприятие включает группуразных произ-в, к-рые комплексно и наиб. полно перерабатывают хим. сырье.Задача управления на третьем иерархич. уровне — обеспечить бесперебойноефункционирование предприятия с целью выполнения плана по выпуску заданногоассортимента хим. продукции в соответствии с требованиями стандартов итехн. условий.

Эффективность деятельности хим. предприятия определяется экономич. показателями,поскольку варианты организации того или иного произ-ва, часто эквивалентныепо технол. показателям, могут иметь неодинаковую экономич. значимость дляданного предприятия и народного хозяйства в целом.

К осн. показателям эффективности работы хим. предприятия относятся:кол-во (т/год) реализованной продукции (может быть и продуктов), ее кач-во(оценивается по совокупности физ.-хим. параметров), эксплуатац. и капитальныезатраты, включая расходы на создание необходимых для функционирования произ-ваоборотных фондов. В кач-ве обобщенного показателя экономич. эффективностипроиз-ва можно использовать т. наз. приведенный доход (руб./год):
/images/enc2/000134.jpg

где Цj- — отпускная цена на продукт j-того вида (или утилизируемуюэнергию); В;-годовой объем выпуска и реализации j-того конечногопродукта (утилизируемой энергии); Зэ-суммарные эксплуатац. затраты;Е-нормативный коэф. экономич. эффективности капиталовложений (величина,обратная нормативному сроку окупаемости); Кt-производств. фонды,т. е. единовременные затраты с учетом фактора времени.

Возмущающими воздействиями, к-рые нарушают функционирование хим. предприятия,являются возможные аварии, неравномерность поступления сырья и отгрузкиготовой продукции, остановки оборудования на ремонт и т.п. Условно к возмущениямможно отнести также и изменения плановых заданий предприятию вышестоящимиорганизациями.

Функции АСУП и создание АСУОТ. Система управления хим. предприятиемв целом выполняет ф-ции перспективного и текущего планирования, а такжеоперативного управления совокупностью произ-в, но в большей степени наорганизационном, чем на технол. уровне. АСУП-интегрированная автоматизир.информационно-вычислит. система, объединяющая и координирующая работу системуправления всех предыдущих ступеней иерархии хим. предприятия.

Практически объединение второго и третьего уровней приводит к созданиюорганизационно-технол. АСУ (АСУОТ). Последние обеспечивают согласованиецелей управления технол. и организац. процессами на произ-ве, ускорениепередачи управляющей информации и соответствующих команд по уровням иерархии,повышение достоверности и степени использования оперативной информацииразными звеньями системы. Т. обр., АСУОТ объединяет ф-ции АСУТП (АСУ агрегатами,цехами, комплексами взаимосвязанных цехов, произ-вами и т. д.) и АСУП (подсистемыуправления основными и вспомогат. произ-вами, управлением сбытом и др.).

Принцип построения АСУОТ можно показать на примере АСУ производств.объединением "Азот" (см. рис.).
/images/enc2/000135.jpg

Организационно-технол. автоматизир. система управления (АСУ производств.объединением "Азот").

Эта система состоит из центр. автоматизир. системы оперативно-диспетчерскогоуправления (ЦАСОДУ), представляющей собой верх. уровень оперативного управленияобъединением, и ряда систем управления на уровне произ-в и крупных цехов(отдельные АСУТП). Соединение ЦАСОДУ с каждой из нижестоящих по иерархииАСУТП образует нек-рую пару совместно функционирующих АСУ. Цель всей системы- обеспечить макс. вероятность выполнения суточного задания по выработкепродукции с наилучшими технико-экономич. показателями при условии соблюдениятехнол. ограничений.

Основные ф-ции, к-рые реализуют АСУОТ: 1) централизов. контроль за ходомтехнол. процессов; 2) учет результатов деятельности объединения за разныепериоды (смена, сутки, месяц); 3) анализ производств. ситуаций и прогнозированиевыполнения суточного задания; 4) оперативное управление произ-вом. Перечисленныеф-ции присущи как звеньям ниж. иерархич. уровня управления (АСУ цехамии произ-вами), так и ЦАСОДУ. Однако ввиду того, что для звеньев ниж. уровняобъектом управления служат технол. и организац. процессы, а для ЦАСОДУ-АСУэтого уровня, упомянутые ф-ции на разл. уровнях имеют разное содержание.Так, в ЦАСОДУ подлежат контролю лишь важнейшие параметры, к-рые характеризуютситуации, приводящие к невыполнению суточного задания или нарушению межпроизводств.связей, в то время как в системах ниж. уровня контролируются технол. параметрыпо отдельным агрегатам. Ф-ция учета в ЦАСОДУ реализуется на основе сбалансированныхмежпроизводств. материальных потоков, а в системах ниж. уровня-только набазе информации, полученной от своего объекта управления.

Взаимод. звеньев АСУОТ достигается согласованием информац. массивов,разработкой устройств сопряжения техн. ср-в обмена информацией между системамиразных уровней и т.д. Информация, поступающая в ЦАСОДУ с нижестоящих звеньевАСУОТ, агрегируется по времени и массивам. Организация взаимод. между звеньямиАСУОТ производится в режиме, при к-ром инициатива принадлежит верх. уровню,т.е. ЦАСОДУ запрашивает необходимую информацию или передает управляющиевоздействия. Выбор частоты обращения к системе ниж. уровня зависит от динамикипроиз-ва. Системы ниж. уровня обслуживают полученный запрос или воспринимаютуправляющую информацию.

АСУП функционирует с использованием больших ЭВМ, обладающих развитойпамятью и значит. быстродействием. Эффективность работы системы определяетсянадежностью функционирования ее техн. ср-в, совершенством программногообеспечения действующих машин и ср-в связи оператора-технолога с УВМ.

Автоматизир. система управления предприятием представляет собой одноиз звеньев системы более высокого иерархич. уровня-АСУ отраслью.


===
Исп. литература для статьи «АВТОМАТИЗИРОВАННОЕ УПРАВЛЕНИЕ»: Перов В.Л., Основы теории автоматического регулирования химико-технологических процессов, М., 1970; Кафаров В. В., Перов В. Л.,Мешалкин В. П., Принципы математического моделирования химико-технологическихсистем, М., 1974; Бояринов А.И., Кафаров В. В., Методы оптимизации в химическойтехнологии, 2 изд., М., 1975; Кафаров В. В., Методы кибернетики в химиии химической технологии, 4 изд., М., 1985. В. В. Кафаров. В. Л. Перов.

Страница «АВТОМАТИЗИРОВАННОЕ УПРАВЛЕНИЕ» подготовлена по материалам химической энциклопедии.