Жукова Ю.С. Автоматизация технологических процессов ЦБП. Конспект лекций - файл n1.doc

Жукова Ю.С. Автоматизация технологических процессов ЦБП. Конспект лекций
скачать (1315.5 kb.)
Доступные файлы (1):
n1.doc1316kb.24.08.2012 01:14скачать

n1.doc

Жукова Юлия Сергеевна
Конспект лекций по курсу:
“ Автоматизация технологических процессов отрасли”



Введение. Термины и определения Автоматизированных Систем

Управления Технологическими Процессами (АСУТП )
Определения даются в соответствии с Гост 34.003-90, но немного сокращены.
Автоматизированная система управления технологическим процессом:

- система, состоящая из персонала и комплекса средств автоматизации его деятельности, реализующая функции управления технологическим процессом с использованием информационных технологий.
Основные компоненты АСУТП.

  1. Техническое обеспечение - совокупность всех технических средств, используемых при функционировании АСУТП.

  2. Организационное обеспечение - совокупность документов, устанавливающих права и обязанности персонала АСУТП.





  1. Математическое обеспечение - совокупность математических методов,

моделей и алгоритмов, используемых в АСУТП.


  1. Программное обеспечение - совокупность программ на носителях данных и программной документации, предназначенная для отладки, функционирования и проверки работоспособности АСУТП.




  1. Информационное обеспечение - совокупность форм документов и решений по объемам, размещению и формам информации, применяемой в АСУТП (классификаторы, нормативно-справочная база, формы представления и организация данных, протоколы обмена данными между отдельными устройствами в системе).




  1. Метрологическое обеспечение - совокупность метрологических средств (эталонов, инструментов поверки) и инструкций по их применению.




  1. Лингвистическое обеспечение - совокупность описаний языков программирования и правил общения персонала АСУТП с комплексом средств автоматизации.




  1. Правовое обеспечение - совокупность правовых норм, регламентирующих правовые отношения при функционировании АСУТП и юридический статус результатов её функционирования.



  1. Автоматизированное рабочее место (АРМ) – программно-технический комплекс, предназначенный для автоматизации деятельности персонала АСУТП.




Структурные схемы АСУТП


Это изображение системы в виде взаимосвязанных элементов. В зависимости от назначения элементов структурные схемы имеют разный вид и разное название.

Функциональная структура: элементы – функции, задачи, операции, а

линии связи – потоки информации.

Техническая структура: элементы – технические устройства, а линии

связи – сигналы связи между устройствами.
Организационная структура: элементы –оперативный персонал с устройствами доступа, а линии связи – линии взаимодействия между ними.
Алгоритмическая структура: элементы –блоки, реализующие алгоритмы, а линии связи – потоки информации.


Структурная схема программмы: элементы – программные модули, а линии связи – потоки информации или линии взаимодействия модулей. Например, программы, написанные на языке FBD, изображаются в виде функциональных блоков с идентификаторами переменных. Распространено изображение программ в виде дерева модулей, например, программы в средах VisualBasic, Delfi.
1. История развития систем автоматизации ЦБП в России.
Производства целлюлозы и бумаги всегда отличались высоким уровнем механизации. Практически человек выполняет здесь функции контроля и управления технологическим процессом.

До появления ЭВМ в реализации этих функций ему помогали устройства локальной автоматики, распределенные по всему производству. Они осуществляли контроль и автоматическое регулирование только общепромышленных технологических параметров, таких как расход, температура , давление, рН материальных и энергетических потоков.

Начиная с 60-х годов появляются специальные приборы: измерители концентрации массы и химикатов, датчики показателей качества бумаги ( влажности, массы 1м.кв.).

Представление информации оператору осуществлялось показывающими и регистрирующими приборами, устанавливаемыми на щитах и пультах.

С появлением промышленных управляющих вычислительных машин (УВМ) положение радикально меняется.

Первая система управления с УВМ в ЦБП была установлена на бумагоделательной машине в Америке 1962г.. Правда просуществовала 1 год и была демонтирована. В качестве причины указывалась экономическая неэффективность.

Системы с УВМ стали называть “Автоматизированные Системы Управления Технологическими Процессами” или АСУТП.

В СССР первая АСУТП была разработана УКРНИИБом в 1970г. для картоноделательной машины Котласского ЦБК . Это была смешанная система. Часть функций контроля и автоматического регулирования выполнялась традиционной локальной автоматикой, а часть передавалась УВМ. Результаты контроля и управления выводились оператору на специальную мнемосхему .

Какие существенные недостатки имела система:

В результате в режиме оперативного управления система проработала около полугода, затем остались только функции сбора и контроля информации.

В 1973 г после снятия эмбарго на поставку вычислительной техники в СССР

в ЦБП появляются американские системы фирмы Acсurey . Пятилетний план по автоматизации ЦБП 70-75г.г. был выполнен за счет инофирменных систем

( 10 из 13 плановых ).

Первая инофирменная система была установлена на бумагоделательной машине Кондопожского ЦБК. Интересная особенность . Фирма Aсcurey перенесла в эту коммерческую АСУТП свои результаты разработок по космической программе “Appolon” .

Эта была, как и все системы того поколения, централизованная АСУТП , реализованная на одной УВМ . Существенную роль продолжали играть традиционные средства локальной автоматики (см.рис 1.1 Вид системы) .

Кроме обычных функций сбора, представления информации и стабилизации технологических параметров в АСУТП выполнялась более сложная задача координированного управления производительностью буммашины.

Надежность системы по сравнению с отечественными была довольно высокой : время работы УВМ составляло 96% от времени работы буммашины. Но этого оказалось недостаточно для задач учета выработки продукции и практически результаты решения этих задач не использовались. Система проработала до 1999г.

До 1990 года развитие АСУТП шло в соответствии министерскими пятилетними планами (см.рис 1.2 ).



Были разработаны головные образцы систем для основных технологических процессов ЦБП (см.рис 1.3).

Использовались отечественные общепромышленные управляющие вычислительные машины второго и третьего поколения : УМ1-НХ, Днепр, М6000 , М7000 ,Электроника-60, С5, КТС ЛИУС.



2. Основные характеристики АСУТП

    1. Организационная структура АСУТП



АСУТП не является полностью автоматической системой управления.

Оперативный персонал ( технолог, лаборант, системный инженер и др.) пока обязательный элемент системы.

Организационной структурой АСУТП называется структура, отражающая взаимодействие персонала в системе.

В период 1970- 1990-х годы использовались централизованные АСУТП.

В этих системах на одной -двух вычислительных машинах реализовывались как функции автоматического, так и оперативного управления ( рис.2.1).

В дальнейшем эти функции были распределены между разными средствами вычислительной техники. Появились распределенные АСУТП.

Пока наиболее распространенной является распределенная двухуровневая структура АСУТП (рис.2.2).

У
ровень автоматического управления АСУТП
.

На этом нижнем уровне информация с измерителей параметров технологического процесса и с встроенных АСР поступает в контроллеры, процессорные станции.

Здесь осуществляется: первичная обработка этой информации, автоматическое регулирование технологических параметров, логическое управление оборудо-

ванием, выдача управляющих воздействий на исполнительные устройства.

Уровень оперативного управления АСУТП.

Для операторов технологического процесса осуществляется вывод информации, собранной на нижнем уровне, в удобной графической форме. Здесь же (серверами) выполняется архивация всех параметров технологического режима.

Отсюда оператор-технолог выдает задания системам автоматического регулирования и осуществляет дистанционное управление оборудованием.

Производится ввод данных лабораторного анализа, проводимого цеховыми лабораториями.

Системный инженер, отвечающий за работоспособность АСУТП, ведет реконфигурацию системы, настройку программ, исправляет обнаруженные ошибки.

Сетевые структуры АСУТП чрезвычайно разнообразны.

Например, на рис.2.3 представлена организационная структура АСУТП фирмы Voith Automation. Система установлена на бумагоделательной машине Соликамского ЦБК и реализует функции управления качеством газетного полотна.

Рис.2.3 Организационная структура АСУТП фирмы Voith Automation
Видим, что к единой сети (Ethernet, TCP/IP) подключены рабочие станции операторов ( Nt ), инженерная станция и процессорные станции ( NIC ) . Последние выполняют контроль и автоматическое управление качеством полотна по ширине, а также контроль цвета бумаги.

Анализ качества бумажного полотна, формирование отчетов и архивация параметров технологического режима производится сервером.

Контроллеры ( S7 Simatic), организованные в сеть (Profibas), осуществляют атоматическое управление весом и влажностью бумаги по длине полотна. Системы работают как в режиме нормальной экплуатации, так и в переходных режимах: смене сорта и производительности, пусках и остановах бумагоделательной машины.

В настоящее время наметились тенденции связывать между собой функции отдельных АСУТП с системами общезаводского уровня (АСУП). Такие системы называют интегрированными.

В интегрированных системах управления предприятием часть информации из АСУТП передается на уровень общезаводского управления для отделов заводоуправления ( технологических, планирования, сбыта и т.д.). Обратно в АСУТП поступает информация, необходимая для принятия оперативных решений по управлению технологическим процессом.


2.2 Функции двухуровневой АСУТП
На верхнем уровне АСУТП рабочими станциями решаются задачи отображения хода технологического процесса и оперативного управления .

На нижнем уровне контроллерами решаются задачи сбора информации с датчиков, непосредственного управления оборудованием и исполнительными устройствами, установленными на технологическом объекте.

Обмен информацией между задачами разных уровней АСУТП осуществляется специальными сетевыми средствами. Используются механизмы передачи информации через файлы, через последовательные порты RS232, технологии DDE и OLE Automation.

В соответствии с выполняемыми функциями в АСУТП можно выделить две подсистемы: информационную и управляющую. Это удобно при изучении методов разработки алгоритмов и программ АСУТП.


3. Автоматизированное рабочее место оператора-технолога

3.1 Техническое обеспечение
Для организации оперативного контроля и управления технологическим процессом рабочие места операторов оснащаются специальными средствами вычислительной техники, которые образуют автоматизированные рабочие места (АРМ). В состав АРМ оператора-технолога входят: рабочие станции и устройства ввода-вывода информации.

Информация о технологическом процессе выводится оператору на экраны дисплеев и может быть зафиксирована печатающим устройством.

Управлять процессом оператор может путем ввода в систему данных с помощью специальных устройств: клавиатуры, мыши, шаровых манипуляторов.

Технические характеристики АРМ чрезвычайно разнообразны.

В 70-80 г.г. в ЦБП они поставлялись в основном пультовом варианте и устанавливались непосредственно в цехе.

В настоящее время чаще всего реализуются в настольном варианте и располагаются в специально выделенных помещениях.

В техническое обеспечение современного АРМ оператора-технолога входят:

устойчивая к загрязнению.

При выборе корпусов мониторов, компьютеров учитывают степень защиты их от окружающей среды. Используется система кодов стандарта IEC-529.

В таблице 3.1 представлены характеристики кода степени защиты IPXY:

где X - степень защиты от твердых тел,

Y - степень защиты от влаги.

Характеристики степени защиты Таблица 3.1





Степень

защиты

Защита от твердых тел -X



Защита от влаги -Y

0

отсутствует

отсутствует

1

от тел диаметром >50мм

от капель воды, падающих

вертикально

2

от тел диаметром >12мм

от капель, падающих под углом

до 15є от вертикали

3

от тел диаметром >2,5мм

от дождя, падающего под углом

до 60є от вертикали

4

от тел диаметром >1мм

от брызг воды, падающих в

произвольном направлении

5

проникновение пыли

не приводит к нарушению

работы

от струи воды с произвольным

направлением

6

проникновение пыли

полностью исключается

от сильной струи воды

с произвольным направлением

7

---

при погружении на глубину150 мм

8

---

при погружении на глубину,

указанную пользователем



    1. Организация операторского интерфейса



Вся информация о технологическом процессе отображается оператору на экране монитора в виде графических видеограмм.

В ЦБП одна АСУТП обычно охватывает большой участок производства, поэтому количество видеограмм довольно велико.

Например. В АСУТП производства бумаги на бумагоделательной машине насчитывается :

Работать с таким объемом информации довольно сложно как пользователю, так и разработчику .



Поэтому дизайн операторского интерфейса должен учитывать психологические возможности операторов, а на этапе проектирования - использоваться инструментальные системы класса SCADA .

Несмотря на большое количество видеограмм, их можно разбить на несколько типов.

1. Графические видеограммы технологического процесса.

На технологических схемах показываются текущие значения параметров режима и состояния оборудования. Видеограммы строятся по иерархическому принципу: от обзора всего производства к стадии, узлу, группе оборудования. Степень детализации зависит от технологического процесса.

Они, как правило, только информационные, чтобы изменить режим надо перейти на второй и третий тип видеограмм.
Пример. Видеограммы узла размола макулатурной массы (рис.3.1)

Показан сборник оборотных вод с системами автоматического регулирования уровня в сборнике и давления воды на выходе.

В виде столбиковых диаграмм представлены уровень и положение

регулирующих органов на потоках оборотной воды. В цифровом виде даются значения давления воды и уровня в сборнике.

Зелёный цвет насосов соответствует их включенному состоянию. В левой нижней части изображен знак перехода на видеограмму последующего технологического процесса.



Рис.3.1 Видеограмма сборника оборотных вод ( в системе фирмы АВВ)

2. Видеограммы управления состоянием АСР. Даётся информация о параметрах автоматических систем регулирования в алфавитно-цифровом и графическом виде (рис.3.2, 3.3, 3.4).

Оператору-технологу предоставляются возможности для любой АСР изменять:


Настройки АСР может изменять только системный инженер. Расширенный тип видеограммы АСР с настройками регулятора представлен на рис.3.4.







Р
1

2

3
ис.3.2 Видеограмма управления состоянием АСР расхода

( в системе фирмы АВВ)




Рис.3.3 Видеограммы технологического процесса размола целлюлозы и АСР уровня целлюлозы в приемном бассейне ( Neles Automation): 1, 2 - характеристики АСР уровня, 3- сообщение о текущей аварийной ситуации.




Рис.3.4 Видеограммы технологического процесса сушки бумаги на БДМ и АСР давления пара в сушильной группе ( Siemens): 1- данные АСР давления пара для оператора процесса, 2- для системного инженера.



3. Видеограммы управления состоянием оборудования.
Выводится информация о параметрах систем управления оборудованием в алфавитно-цифровом и графическом виде (рис.3.5). Оператором могут быть поданы команды изменить режим работы оборудования ( включить / выключить оборудование, установить / снять защиту).
4. Видеограммы технологической сигнализации

Выдаются сообщения о технологических событиях : изменении режима систем управления, выход параметров за предупреждающие границы .



5. Видеограммы аварийной сигнализации

Выдается сообщение о текущей аварийной ситуации на процессе. По требованию оператора предоставляется весь список аварийных сообщений в хронологическом порядке .


6. Видеограммы трендов

Оператор может вывести графики изменений технологических параметров за некоторый отрезок времени: 15  30 мин, 2  8 часов, сутки , месяц .

Рис.3.5 Видеограмма управления двигателем ( в системе фирмы АВВ)




7. Видеограммы контроля качества продукции.

В табличном виде дается информация о параметрах качества поступающей и готовой продукции .



3.3 Принципы проектирования операторского интерфейса

Исследованиями и практической реализацией пользовательского интерфейса занимаются многие фирмы.

Выпуcтили стандарты и соглашения :


В целлюлознобумажной промышленности практически все фирмы разработчики АСУТП используют свои подходы по созданию АРМ оператора-технолога (Accurey, Megurex, Honeywell, ABB, Mesto Automation, Siemens). В результате пользовательские интерфейсы достаточно разнообразны. К сожалению проспекты фирм дают мало возможностей увидеть достоинства и недостатки конкретной реализации.

При проектировании АРМ оператора –технолога не следует забывать об его основной задаче: повысить качество управления технологическим процессом.

Создание операторского интерфейса требует от проектировщика знаний не только о технологическом процессе, системах управления, но и владения дизайнерским искусством.


Можно указать несколько общих принципов проектирования пользовательского интерфейса.

1. Интерфейс должен быть всегда дружественным.

Не злословить и не хамить.




  1. Не усложнять интерфейс :

чем проще, тем эффективнее воздействие.

  1. Стремиться к оптимуму информации:

избыток информации также не желателен, как и её недостаток .

  1. Максимум комфортности для оператора:

учитывать психофизиологические особенности восприятия человеком

видеоинформации.

5. Графика должна быть когнитивной:

т.е. способствовать обнаружению закономерностей

(лат. cognito – познание, осознание).



    1. Дизайн операторского интерфейса


Обычно разработку АРМ выполняют технологи и инженеры по автоматизации. Первые ориентируются на технологические схемы, вторые пользуются решениями, принятыми на фирме или в инструментальных системах проектирования.

Но, что бы создать качественный операторский интерфейс, целесообразно дополнительно привлекать к разработке профессиональных дизайнеров.

Вот некоторые из рекомендаций дизайнеров 1 .

  1. Плотность заполнения экрана:

    • оставлять пустой примерно половину экрана;

    • оставлять в таблице пустую строку после пятой строки и 45 пробелов между столбцами.

  2. Привлечение внимания:

3. Шрифт: использовать ограниченное количество шрифтов и стилей.

4. Цвет:

голубой и зеленый успокаивают, желтый вселяет оптимизм, коричневый угнетает, красный и фиолетовый вызывают тревогу, черный способствует возникновению головных болей, но снижает число ошибок;

Анализ операторского интерфейса показывает, что со временем его дизайн изменяется.

В системах 70-х годов изображение выполнялось на черном фоне яркими цветными линиями. При работе операторы уменьшали резкость изображения, многие жаловались на сильное утомление и головные боли к концу рабочего дня.

В настоящее время доминируют пастельные тона.

Заполнение экрана в первых АСУТП было неплотным, количество видеограмм слишком большим, что затрудняло поиск информации. Например, системы 70-х годов фирмы Megurex для бумагоделательной машины содержали примерно 600 видеограмм, но к 90-тым годам их количество сократилось до 200.

Иногда снижение числа видеограмм за счет повышения плотности заполнения экрана приводит к слишком мелкому изображению объектов (цифровых полей, командных кнопок). Это увеличивает нагрузку на глаза операторов и затрудняет позиционирование маркеров при вводе данных.





На сегодняшний день пользователи не слишком довольны интерфейсом операторских станций. Но в какую сторону пойдет развитие, сказать затруднительно.


PKS Experion

Сервер

TCP/IP on FT ETHERNET

Printer

Mill Highway


Операторские

БДМ5

QCS

Existing Aquatrol CD

Влажность

Масса м.кв.

Зольность

Цветность

Толщина

HC

Сетка

РПО

PKS Experion

Модуль разработчика

Proflow

CD Масса м.кв.

РПО

Накат
АСУТП Котлас БДМ5 Honywel




Котлас БДМ Metso


“ Автоматизация технологических процессов отрасли”
Учебный материал
© nashaucheba.ru
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации