1. Основная терминология

Механизация пр. процесса - замена физического труда человека работой механизмов, получающих энергию от какого либо источника.

Автоматизация пр. процесса - замена физического труда человека, затрачиваемого на управление механизмами и машинами, работой специальных устройств, обеспечивающих это управление (СУ)

Автоматизация управления - замена физического и умственного труда человека, затрачиваемого на управление работой технических средств, обеспечивающих выполнение задач управления. За человеком остаются только функции наблюдения и подготовки этих технических средств.

Техническая система управления - совокупность технических средств, имеющих между собой электрические, пневматические, гидравлические или иные информационные связи, используемые для управления производственными или другими процессами.

Автоматизированная система управления (производством или технологическим процессом) - разновидность систем управления, включающая технические средства, которые обеспечивают замену физического и умственного труда человека, но требуют, однако, затрат труда для своего обслуживания и выполнения отдельных функций управления.

Автоматическая система управления - разновидность систем управления, включающая технические средства, которые обеспечивают автоматический сбор, обработку информации, в том числе принятие решения и реализацию принятого решения. Затраты труда человека необходимы только для контроля функционирования и обслуживания системы. Автоматическая система управления состоит из управляемого объекта и автоматического управляющего устройства, взаимодействующих между собой. Объектов и управляющих устройств в системе может быть несколько.

Автоматические системы управления уже давно широко применяют, особенно в военном деле, например для управления огнем, полетом ракет и самолетов (автопилот), наведения орудий, движения подводных лодок; а также в атомной энергетике при управлении режимами работы атомных котлов; в отраслях промышленности с непрерывными процессами производства; например, для управления процессами производства аммиака, метанола, главки металла.

В процессе внедрения автоматическая система управления технологическим процессом обычно используется вначале как автоматизированная система, работающая в информационном режиме, а после накопления опыта, проверки надежности системы и т. п. переводится в автоматический режим.

Автоматические системы управления подразделяются на:

1. непрерывные системы (аналоговые) - системы, в которых входные сигналы действуют непрерывно в течение всего времени работы системы;
2. дискретные системы (импульсные) - с прерывистым воздействием сигнала на входе.

2. Понятие об автоматизации управления производством

Научно-технический прогресс приводит к росту скорости производства. Если «скорость» управления при этом постоянна, то качество управления падает, ибо управление как бы «не успевает» за производством.

Одновременно научно-технический прогресс создает предпосылки для повышения качества управления за счет использования вычислительной техники, математических методов, теории управления и автоматизации управления. Все это концентрируется, находит конкретную реализацию в автоматизированных системах управления (АСУ).

Управление в простейшей форме заключается в сборе информации (данных о ходе технологического процесса), ее переработке и выводе управляющей информации для изменения хода процесса. Этот цикл происходит периодически или непрерывно и может осуществляться с помощью автоматизированной системы управления, которая выполняет все или некоторые из перечисленных операций.

Рис. 1. Схема автоматизированного управления технологическим процессом

В схеме, представленной на рис. 1, выбор оптимального хода технологического процесса обеспечивается АСУ ТП. Обратная связь проявляется в том, что изменения состояния процесса, возникшие в результате управляющих воздействий со стороны АСУ ТП и внешних случайных воздействий, в виде данных о ходе процесса снова поступают в АСУ ТП.

Данные о состоянии производства и аварийные сигналы применяются при оперативном управлении и частично накапливаются для статистических расчетов и анализа. Значительная часть этих данных может собираться в виде отклонений от плана, нормы, задания. Данные оперативного учета используются также при оперативном планировании.

Качество управления определяется тремя основными факторами: выбором эффективного решения, своевременностью его принятия и возможностью реализации этого решения.

Основным путем повышения качества управления является автоматизация управления производством, при которой перечисленные задачи решаются средствами вычислительной техники.

Приведем пример высокого качества управления. При реализации билетов на самолеты используются автоматизированные информационные системы, хранящие данные о свободных местах на все рейсы. По запросам пассажиров, вводимым в систему кассирами, система сообщает сведения о наличии мест и учитывает реализацию билетов. Это позволяет снизить число свободных мест в самолетах, своевременно вводить резервные рейсы.

Сложность управления технологическим процессом определяется суммарными потоками информации, которые выявляются в процессе тщательного изучения и анализа, сложностью их обработки и использования результатов. Эти потоки определяют число датчиков, устанавливаемых в АСУ ТП, и устройств вывода информации, алгоритмы обработки информации, объемы памяти ЭВМ.

Стоимость управления является одним из важных показателей управления. Большую часть стоимости определяют затраты на оргтехнику и математическое обеспечение. Последнее, порой, бывает во много раз дороже. Проблема стоимости вычислительной техники находит свое решение в использовании локальных вычислительных сетей. Широкое внедрение ПЭВМ дает возможность децентрализации обработки информации. Система управления технологическим процессом независимо от размещения ЭВМ должна обеспечить получение информации, передачу ее в систему обработки данных, обработку (систематизацию, сортировку, вычисления) и выдачу команд, управляющих ходом производства и обеспечивающих строгую регламентацию протекающих процессов, печатных документов, информационных сообщений и советов (рис.2).

Рис. 2. Структурная схема автоматизированного управления ТП.

В автоматизированной системе управления сбор, переработка и вывод информации осуществляются автоматически или автоматизировано. При обработке информации для анализа обстановки, кроме текущих данных о состоянии производственного процесса, используют также нормативные данные, плановые данные и математическое описание (модель) производства.

Управление с автоматическими органами управления образует автоматическую систему с замкнутой цепью воздействий (с обратной связью). Разработка и внедрение такой системы возможны лишь при наличии большого опыта эксплуатации разомкнутых систем с непосредственным управлением человеком или группой людей, которые принимают решение на основании своего опыта и знания производства.

Уровни автоматизации управления обычно совпадают с принятыми уровнями управления.

На предприятиях ряда отраслей промышленности различают три уровня в общей схеме автоматизированного управления предприятием:

• автоматизация управления технологическими процессами (нижняя ступень);
• автоматизация управления на уровне производств (средняя ступень);
• автоматизация управления на уровне предприятия (верхняя ступень).

На нижней ступени решаются технические задачи: соблюдение технологических режимов, правил эксплуатации оборудования и техники безопасности. На этой ступени применяют локальные системы стабилизации и регулирования параметров, поисковую автоматику, некоторые элементы вычислительной техники, а также автоматическую сигнализацию, блокировку, регистрацию и т. п.

На средней ступени определяется экономически обоснованное распределение нагрузок между цехами и агрегатами, оптимальный режим технологического процесса, а также вырабатываются и передаются команды управления системам автоматизации нижней ступени. Для этого используют системы централизованного сбора информации и программы для анализа деятельности производства.

На верхней ступени решаются технические и в основном экономические задачи. Планируется производство отдельных цехов и участков, выполняются учетные работы, осуществляется управление транспортом, складами, энергоресурсами, определяются показатели для оперативного управления, которые передаются в соответствующие системы автоматизации средней ступени.

Решение вопросов автоматизации на уровне всех трех ступеней является, по существу, решением вопросов комплексной автоматизации производств.

Обычно АСУ ТП находится на нижней ступени автоматизации, однако может в зависимости от обстоятельств охватывать среднюю и высшую ступени управления, но не подменяя АСУ П.

3. Основные принципы автоматизации управления технологическим процессом

Автоматизация управления основывается на ряде принципов организации управления, которые можно разбить на четыре основных группы.

К первой группе можно отнести принципы организации производственного процесса. Эта группа принципов отвечает на вопрос: «Как управлять?»

При автоматизированном управлении производством действуют также принципы, определяющие организацию и функционирование АСУ). Эта группа принципов отвечает на вопрос: «Как организовать автоматизированное управление?»

Автоматизация управления стала возможной благодаря наличию современных технических средств, математического и организационного обеспечения, а также благодаря гибкости производственной информации. Это позволяет выделить группу принципов, определяющих возможность создания АСУ. Эта группа принципов отвечает на вопрос: «На чем основано автоматизированное управление?».

Процессы создания АСУ - от проектирования до внедрения - характерны наличием своих собственных принципов. Эта группа принципов отвечает на вопрос: «Как создавать автоматизированное управление?».

Третья и четвертая группа принципов будет последовательно рассматриваться во всех разделах данного курса. Первую и вторую группы принципов кратко изложим в настоящем разделе.

Принципы организации производственного процесса (первая группа)

Эти принципы определяют рациональное сочетание в пространстве и во времени всех основных, вспомогательных и обслуживающих процессов.

Принцип специализации. Специализация обусловливает выделение и обособление отраслей, предприятий, цехов, участков, линий и т. д., изготавливающих определенную продукцию или выполняющих определенные процессы. Уровень специализации предприятий и подразделений определяется сочетанием двух основных факторов - объемом производства и трудоемкостью продукции. На специализацию в значительной степени влияет стандартизация и нормализация, которые могут повысить масштабы производства однородной продукции. Специализация в целом отличается большой экономической эффективностью.

Соблюдение принципа специализации состоит в закреплении за каждым производственным подразделением, за каждым участком, вплоть до рабочего места, ограниченной номенклатуры работ, минимально возможного числа различных операций.

Принцип пропорциональности. Все производственные подразделения основных и вспомогательных цехов обслуживающих хозяйств, участков, линий, группы оборудования и рабочие места должны иметь пропорциональную производительность в единицу времени. Пропорциональные производственные возможности позволяют при полном использовании оборудования и площадей обеспечить равномерный выпуск комплектной продукции.

Несоблюдение принципа пропорциональности приводит к появлению "узких мест" и диспропорций, когда объем продукции или услуг тех или иных подразделений оказывается недостаточным для выполнения производственных заданий и тормозит дальнейшее развитие производства.

Принцип параллельности. Параллельное (одновременное) выполнение отдельных частей производственного процесса, этапов, фаз, операций расширяет фронт работ и резко сокращает длительность производственного цикла. Параллельность проявляется во многих формах - в структуре технологических операций, в совмещении основных и вспомогательных операций, в одновременном выполнении нескольких технологических операций и т. п.

Принцип прямоточности. Изделие, изготавливаемое предприятием, в процессе производства следует пропускать по всем фазам и операциям производственного процесса - от запуска исходного материала до выхода готовой продукции по кратчайшему пути без встречных и возвратных движений.

Соблюдение этого принципа реализуется в расположении зданий, сооружений, цехов, станков и в построении технологического процесса. Вспомогательные подразделения и склады размещаются возможно ближе к обслуживаемым ими основным цехам.

Принцип непрерывности. Перерывы в производстве необходимо устранять или уменьшать. Это относится ко всем перерывам, в том числе внутри операционным, междуоперационным, внутрисменным, междусменным. Машины или системы машин тем совершеннее, чем выше степень непрерывности их рабочего процесса. Организация производственного процесса тем совершеннее, чем выше степень достигнутой в нем непрерывности.

Принцип ритмичности. Производственный процесс должен быть так организован, чтобы в равные интервалы времени выпускались равные или возрастающие количества продукции и через эти интервалы времени повторились все фазы и операции процесса. Различают ритм запуска (в начале процесса), операционный ритм (промежуточный) и ритм выпуска продукции. Ведущим ритмом является последний.
Создание АСУ ТП должно быть направлено на соблюдение принципов организации производственного процесса. Функционирование АСУ ТП должно обеспечивать соблюдение принципов непрерывности и ритмичности.

Принципы организации автоматизированного управления (вторая группа)

Эти принципы определяют технологию управления в условиях АСУ.

Повышение экономической эффективности производства является первым общим принципом автоматизации управления. При несоблюдении этого принципа автоматизация становится неэкономичной, нецелесообразной.

Общее упорядочение является вторым общим принципом автоматизации управления. В процессе создания АСУ ТП и при ее функционировании на предприятии происходят интенсивные процессы упорядочения. Упорядочивается все - технология и процессы управления, структура и потоки информации, методы управления и обязанности должностных лиц, в результате чего организация производства поднимается на более высокий качественный уровень.

Принцип соответствия - третий общий принцип автоматизации управления. Он является частным проявлением системного подхода и означает, например, гармоничное соответствие между потребностями автоматизируемого объекта и возможностями АСУ ТП.

Принцип единообразия является четвертым общим принципом. Он означает унификацию и стандартизацию элементов АСУ ТП. Унификация элементов АСУ ТП упрощает и удешевляет процессы проектирования, процессы эксплуатации и облегчает преемственность при создании новых АСУ.

4. Декомпозиция АСУ ТП

Проблемы декомпозиции систем управления. Основная цель декомпозиции - разделение системы на части, имеющие меньшую сложность, с целью обеспечения условий для анализа и синтеза подсистем, для проектирования, построения, внедрения, эксплуатации и совершенствования систем управления.

Первой проблемой декомпозиции систем управления является разделение системы на части с меньшим числом элементов и связей - с меньшим числом переменных величин.    Обычно систему разделяют таким образом, чтобы подсистемы поддавались какой-либо классификации, например, по функциям управления, по иерархии управления и др. Эго обеспечивает унификацию подходов к подсистемам.
АСУ ТП в целом должна быть спроектирована таким образом, чтобы все подсистемы ее имели свои локальные цели, выбранные в соответствии с общей целью системы. Как правило, общая цель, критерий функционирования и основные ограничения, накладываемые на работу АСУ ТП, формулируются в начале проектирования системы.

Второй проблемой является проблема декомпозиции критерия, т. е. нахождения критериев субоптимальности - критериев функционирования подсистем. Иногда она рассматривается как проблема конструирования критериев.

Выбор дополнительных критериев для подсистем нацеливает их работу на так называемую субоптимальность, в общем случае несовпадающую с оптимальностью всей системы.

Третьей проблемой декомпозиции является оценка субоптимальности действия подсистемы - степени отклонения получаемых результатов от оптимальной потребности системы в целом. Оценка отклонений позволяет найти пути сведения их к необходимому минимуму.

Четвертой проблемой является агрегатирование подсистем.

Пятая проблема - выбор стратегии функционирования. Для эффективного управления требуется совокупность приемов управления, разработанных с учетом общей стратегии.

Имеется также ряд проблем, связанных с надежностью функционирования подсистем, обменом информацией между ними, участием человека и др.

Декомпозиция является могучим методом анализа и синтеза систем, в том числе систем автоматизированного управления, и широко используется в практике создания АСУ ТП.

Декомпозиция АСУ и синтез подсистем. Известные направления декомпозиции АСУ позволяют выделить структурные, функциональные, этапные, поэлементные и другие подсистемы АСУ.

Под структурными (или организационными) понимают подсистемы, соответствующие структурному построению объекта. Например, структурные подсистемы в цехе - это подсистемы участков, переходов, комплектов, групп оборудования. Структурное направление декомпозиции АСУ имеет смысл в АСУ ТП, если объект управления неоднороден настолько, что алгоритмы управления для каждого подразделения или группы оборудования разные.

Под функциональными понимают подсистемы, соответствующие отдельным функциям управления (например, подсистемы контроля, оперативного управления). Они хорошо отражают сущность управления и поэтому применимы в автоматизированных системах управления любого уровня и назначения.

Этапные подсистемы - это подсистемы, соответствующие этапам деятельности. Выход одной этапной системы связан со входом другой.
Под элементными понимают подсистемы, отражающие человеко-машинную сущность АСУ. Обычно выделяют подсистемы человеческих факторов, информации, технического обеспечения.

В автоматизированных системах управления также целесообразно выделение подсистем по направлениям автоматизации.

Кроме этого производят декомпозицию на функциональные подсистемы второго рода - по признаку управления операциями технологического процесса.

Необходимо обеспечивать производство всеми ресурсами и затем сбывать его продукцию. Поэтому декомпозиция по направлению действия обеспечивающих подсистем позволяет выделить все виды обеспечения и организовать функционирование этих подсистем.

Эти три направления декомпозиции относятся к функционированию системы. Однако в жизнедеятельности систем важное место занимает ее создание и совершенствование. Поэтому предлагается еще одно направление декомпозиции - по этапному обеспечению жизнедеятельности систем.

Могут быть и другие направления разбивки систем, однако каждое из предлагаемых направлений декомпозиции АСУ имеет свое определенное назначение.

5. Виды обеспечения АСУ ТП

Автоматизация управления технологическим процессом стала возможной в современном ее представлении только в последнее время. Произошло это в результате накопления опыта, развития ряда научных направлений и создания соответствующих технических средств.

АСУ ТП возникли на стыке следующих отраслей науки и техники: технологическая автоматика, вычислительная техника, прикладная математика (в том числе программирование), теория информации, теория организации и управления, высокомеханизированное и автоматизированное технологическое оборудование большой мощности.

Автоматизация управления технологическим процессом реализуется в виде систем - АСУ ТП. АСУ ТП включает оперативный персонал, организационное, информационное, программное и техническое обеспечение (ГОСТ 16084-75).

Оперативный персонал АСУ ТП включает технологов - операторов автоматизированного технологического комплекса (АТК), осуществляющих управление технологическим объектом, и эксплуатационный персонал АСУ ТП, обеспечивающий функционирование системы. Оперативный персонал необходимо специально подбирать с учетом требований, предъявляемых АТК, и специально его подготавливать.

Организационное обеспечение АСУ ТП включает описание функциональной, технической и организационной структур системы, инструкции и регламенты для оперативного персонала по работе АСУ ТП. Оно должно содержать совокупность правил и предписаний, обеспечивающих требуемое взаимодействие оперативного персонала между собой и комплексом средств.

Информационное обеспечение АСУ ТП включает систему кодирования технологической и технико-экономической информации, справочную и оперативную информацию. Формы выходных документов и другие формы представления информации не должны вызывать трудностей у персонала при их использовании.

В информационном обеспечении в соответствии с требованиями технического задания предусматривается некоторая избыточность, позволяющая обеспечить расширение массивов при развитии системы, а также совместимость со смежными и вышестоящими системами по содержанию, системе кодирования и форме представления информации, используемой для обмена.

Программное обеспечение АСУ ТП включает общее программное обеспечение, в том числе организующие программы и программы-диспетчеры, транслирующие программы, операционные системы, библиотеки стандартных программ и др. Специальное программное обеспечение - совокупность программ, реализующих функции конкретной системы и обеспечивающих функционирование комплекса технических средств. Обслуживающие программы обеспечивают внесение изменений, дополнений, снятие копий с информации, записанной на внешних носителях, контрольную распечатку информации и т. п.

Техническое обеспечение АСУ ТП, называемое также комплексом технических средств (КТС) или технической системой управления, включает:

• средства получения информации о состоянии объекта управления и средства ввода данных в систему;
• средства формирования и передачи информации в системе;
• средства локального регулирования и управления;
• средства вычислительной техники;
• средства представления информации оперативному персоналу системы;
• исполнительные устройства;
• средства передачи информации в смежные и вышестоящие АСУ;
• отдельные средства оргтехники, не увязанные в систему и обеспечивающие работу оперативного персонала;
• приборы и устройства, необходимые для наладки и проверки работоспособности комплекса и запасные приборы.

Количество технических средств и их производительность должны быть достаточными для реализации всех функций, перечисленных в техническом задании на систему.

6. Связи АСУ ТП с другими системами

Для низовых АСУ ТП характерны два вида связей с другими системами: со смежными и вышестоящими. Для АСУ ТП высокого уровня (например, на уровне отрасли) появляется третий вид связей - с нижестоящими системами.

Рис.3. Связи АСУ ТП с другими системами: 1, 5 - руководящие указания, уставки, запросы; 2,6 - отчеты, сведения о работе, данные первичного учета, ответы на запросы, статистические сведения; 3,4 - запросы, ответы на запросы, регулярные данные о состоянии дел, данные о взаиморасчетах
   

Для всех видов связи необходимы средства оперативной телефонной и локальных компьютерных сетей. В необходимых случаях обеспечивается автоматический ввод в АСУ ТП уставок, подготовленных в АСУП в порядке координации локальных систем.

Необходимо учитывать, что потоки информации «снизу – вверх» (2 и 6 на рис.3) в 4 - 6 раз мощнее, чем потоки «сверху – вниз» (1 и 5). Потоки информации между смежниками в нормальных условиях равны, а при преимуществе одного из партнеров, баланс изменяется в пользу того, у кого преимущество - от него поток информации меньше.

7. Особенности АСУ ТП

Ф.Энгельс выделял два рода управления: управление вещами и управление людьми. Под управлением вещами понимается управление орудиями производства и различными производственными процессами. Все АСУ ТП предназначены в основном для управления вещами. Кроме того, это единственный вид АСУ, который предназначен для управления вещами. Все остальные АСУ (АСУП, ОАСУ, АСУО, РАСУ, ОГАС и др.) предусматривают управление людьми. В этом состоит первая особенность АСУ ТП.

АСУ ТП непосредственно соприкасается с технологическим процессом. Все остальные АСУ с техпроцессом не соприкасаются и отделены от него одним или несколькими уровнями управления. Такова вторая особенность АСУ, направленной на управление технологическим процессом.

Управление технологическим процессом может осуществляться на уровне станка, группы станков, цеха, корпуса, производства предприятия, объединения и даже на уровне отрасли. Соответствующие АСУ ТП могут охватывать различные части технологического процесса. Это в корне отличает АСУ ТП от других АСУ. Такое свойство диапазонности (от агрегата до отрасли) является третьей особенностью АСУ ТП.

Обычно все АСУ жестко связаны с действующей организационной структурой: системы, как правило, создаются для обслуживания определенных организаций. Только в АСУ ТП связь между системой и организационной структурой не жесткая. АСУ ТП может охватывать как часть структурного подразделения (например, агрегат - часть цеха, участка), так и несколько подразделений и даже организаций. Такое отсутствие жесткой связи АСУ с организационной структурой является четвертой особенностью АСУ ТП.

Возможно создание сложных АСУ ТП, в которых практически имеются несколько АСУ ТП, охватывающих друг друга. Например, АСУ ТП агрегатов могут охватываться АСУ ТП цехом и образовывать новую, более совершенную и сложную АСУ ТП. Это свойство иерархичности представляет пятую особенность АСУ ТП.

В связи с тем, что АСУ ТП могут охватывать разные участки технологического процесса, они непосредственно подчиняются различным органам управления. Например, АСУ ТП агрегата может подчиняться мастеру цеха, а АСУ ТП предприятия - главному технологу или главному инженеру или заместителю директора по производству (в зависимости от распределения функций управления). Зависимость подчиненности АСУ ТП от размера управляемой части технологического процесса является шестой особенностью АСУ ТП.

Из всех АСУ в самых коротких циклах работают АСУ ТП. Это седьмая особенность таких систем.

Только в АСУ ТП используются замкнутые обратные связи и возможна работа в автоматическом режиме. Все другие АСУ могут работать только в автоматизируемых режимах. Это восьмая особенность АСУ ТП.