Основные понятия и определения

В результате освоения данной главы студент должен:

знать

• сущность системного подхода к объектам исследования с перспективой их дальнейшей автоматизации;

уметь

• различать системы автоматизации, реализуемые локальными системами управления;

владеть

• навыками оперирования основными понятиями и определениями данной области знаний.

Одной из главных особенностей современной научной и технической деятельности является системный подход к объектам исследования и проектирования.

Система есть подмножество взаимосвязанных элементов, выделенных из множества элементов любой природы в соответствии с требованиями решаемой задачи. Элементы — это части или компоненты системы, условно принятые неделимыми. Свойство — качество, позволяющие описать систему и выделить ее среди других систем, свойства характеризуются совокупностью параметров, одни из которых могут иметь количественную меру, другие выражают лишь качество. Связи — это то, что соединяет элементы и их свойства. Предполагается, что каждый из элементов системы соединяется прямо или косвенно с любым другим элементом. Важным для описания системы являются ее состояние и структура.

Состояние системы в данный момент характеризуется значениями существенных с точки зрения решаемой задачи параметров системы.

Структура системы характеризует способ организации элементов в систему с определенными свойствами путем установления между ними взаимосвязей. Структура и свойства элементов определяют индивидуальные характеристики системы и позволяют рассматривать ее как целостное образование. Целостность системы проявляется в том, что ее свойства, как правило, отличны от свойств составляющих элементов. Система — это не сумма составляющих ее частей, а целостное образование с новыми свойствами, которыми не обладают ее элементы. По степени сложности системы делят на простые и сложные.

Сложной принято называть такую систему, которую трудно или невозможно изучать путем исследования всех ее возможных состояний. Число параметров, которыми описывается сложная система, весьма велико. Миогие из них не поддаются количественному описанию и измерению. Цели управления такой системой не подаются формальному описанию без существенных упрощений; сами цели — функции времени. Сложная система состоит, как правило, из подсистем, каждая из которых имеет собственную цепь управления. При управлении сложной системой, а именно такую систему представляют технологические процессы на предприятии пищевой промышленности, локальные цели подсистем нужно согласовывать с общей, глобальной целью системы. Это представляет сложную задачу. Моделирование сложной системы невозможно без разумного упрощения ее описания.

По степени определенности системы обычно разбивают на детерминированные и вероятные.

Детерминированной называют систему, в которой по ее предыдущему состоянию и некоторой дополнительной информации можно вполне определенно предсказать ее последующее состояние.

В вероятной системе на основе предыдущего состояния и дополнительной информации можно предсказать лишь множество возможных будущих состояний и определить вероятность каждого из них.

Разбитие систем на простые и сложные, детерминированные и вероятные в определенной мере условно. По мере развития средств моделирования и углубления знаний о конкретной реальной системе она может перейти из одного класса в другой.

Управление — совокупность воздействий, выбранных на основании полученной информации и направленных на поддержание или улучшение работы объекта в соответствии с заданием. Под информацией в широком смысле понимается совокупность сведений, воспринимаемых из окружающей среды, выдаваемых в окружающую среду либо сохраняемых внутри некоторой системы.

В технических задачах под информацией понимается совокупность сведений, определяющих цели и задачи процесса, условия его протекания, ход процесса и результаты влияния на него внешних воздействий (управляющих и возмущающих).

При использовании для целей управления технических средств, исключающих непосредственное участие человека в управлении производственным процессом, имеет место автоматическое управление.

Отрасль науки и техники, включающая теорию автоматического управления и принципы построения автоматических систем и обеспечивающих их технических средств, называется автоматикой. Применение методов и технических средств автоматики для управления производственными процессами составляет содержание автоматизации.

По степени автоматизации производственного процесса различают частичную, комплексную и полную автоматизацию.

Частичная автоматизация — автоматизированы отдельные, основные объекты управления; не связанные друг с другом отдельные аппараты, машины; координация их работы осуществляется человеком.

Комплексная — автоматизированы все основные и вспомогательные объекты управления, а также координация их действий. При комплекс ной автоматизации может применяться оперативное управление, осуществляемое человеком-оператором централизованно, дистанционно со щитов и пультов.

Полная автоматизация — автоматизированы все основные и вспомогательные производственные процессы, включая и систему управления производством. Этот зтап характеризуется созданием управляющих систем, которые сами, без непосредственного участия оператора, определяют оптимальные условия ведения производственного процесса в конкретных условиях.

В зависимости от степени автоматизации функций управления различают ручное, автоматизированное и автоматическое управление. При ручном управлении все функции процесса выполняются человеком-оператором, автоматизированным называется процесс управления, в котором часть функций выполняется человеком, другая часть — автоматическим устройством. При автоматическом управлении все функции выполняются автоматическими устройствами. Соответственно принято различать автоматизированные и автоматические системы управления.

Автоматизированная система управления технологическим процессом (АСУТП) — это человеко-машинная система управления, обеспечивающая автоматизированный сбор и обработку информации, необходимой для оптимизации управления технологическим объектом в соответствии с принятым критерием.

Технологический объект управления (ТОУ) представляет собой совокупность всех рабочих операций, технологического оборудования, и реализацию на нем согласно инструкциям и регламентам технологического процесса производства.

Технологическим процессом называется последовательная схема во времени состояний комплекса производственного оборудования, материальных и энергетических потоков, способов обработки и переработки сырья и полуфабрикатов, направленных на изготовление новых видов продукции. Основной задачей функционирования каждого технологического процесса является обеспечение необходимого технико-экономического эффекта.

Под технологической операцией понимается часть (стадия) технологического процесса, характеризуемая однородностью действий, производимых над предметом производства, и в связи с этим сосредоточенных в пределах одного рабочего места, одной единицы оборудования.

Технологические процессы и операции принято различать:

• — по характеру обработки сырья — нагревание, охлаждение, измельчение, выпаривание, сушка, смешивание, разделение;
• — характеру протекания во времени — непрерывные, дискретные, специальные.

Для достижения желаемого хода технологического процесса им необходимо управлять. Под алгоритмом управления понимается совокупность предписаний, определяющих характер воздействий извне на управляемый объект с целью осуществления им заданного алгоритма функционирования. Под алгоритмом функционирования понимается совокупность предписаний, ведущих к правильному выполнению технологического процесса.

Критерий управления — эго соотношение, характеризующее качество функционирования технологического объекта управления в целом и принимающее конкретные числовые значения в зависимости от используемых управляющих воздействий.

В структурном аспекте любую систему управления можно представить взаимосвязанной совокупностью объекта управления и управляющего устройства. Чем сложнее объект управления, тем более сложным должно быть управляющее устройство; доказано, что для эффективного управления управляющее устройство должно быть такой же сложности, как и объект управления. При создании сложных систем управления реализуется принцип многоуровневого, иерархического построения.

Нижний уровень состоит из множества локальных систем управления отдельными технологическими операциями. Под локальной системой управления понимается производственный участок или технологический агрегат, снабженный индивидуальным пунктом управления, оснащенным либо индикаторными и регистрирующими приборами, либо регуляторами технологических параметров. Разумеется, перечисленные устройства могут применяться и совместно. Целью управления на этом уровне обычно является выбор и поддержание заданных режимов выполнения технологических операций. Здесь управление сводится к контролю параметров технологических режимов и воздействию непосредственно на технологическую операцию в режиме автоматического управления.

Второй уровень включает системы управления производственными участками и технологическими линиями. Основная цель управления такими объектами состоит в выборе и поддержании режимов совместного функционирования оборудования, на котором выполняются взаимосвязанные операции, образующие технологический процесс. На этом уровне производится корректировка параметров каждой операции технологического процесса в зависимости от случайного или вынужденного изменения режимов других связанных с ней операций. Совокупность систем управления первого и второго уровня образует автоматизированную систему управления технологическим процессом.

Объектом третьего уровня является предприятие в целом. Для реализации задачи управления на этом уровне необходимо выполнять функции организационного и экономического характера. Это особенность качественно отличает критерии и алгоритмы управления, используемые на данном уровне, от применяемых в управлении технологическими процессами. Системы всех трех уровней образуют автоматизированную систему управления предприятием.

В зависимости от решаемых задач принято различать следующие системы автоматизации, реализуемые локальными системами управления:

• — системы автоматического контроля;
• — системы автоматического регулирования;
• — системы автоматической блокировки;
• — системы логико-программного управления;
• — системы дистанционного управления.

Системы автоматического контроля осуществляют прием, переработку и передачу информации. По способу выполнения автоматический контроль можно разделить на следующие виды:

• — контроль с автоматической сигнализацией;
• — визуальный — по стрелочным и цифровым указателям измерительных приборов;
• — регистрационный — с автоматической записью значений контролируемого параметра на диаграмме.

Системы автоматического регулирования поддерживают постоянные (в заданных пределах) значения технологических параметров либо обеспечивает их изменение в соответствии с заранее заданным и задаваемым законом. По алгоритму управления различают системы стабилизации, программные и следящие.

Системы автоматической блокировки предназначены для прекращения работы управляемого объекта при нарушении нормального режима, аварийных ситуациях и других обстоятельствах, при которых возможен выпуск бракованной продукции или же авария. Примером такой системы может служить блокировка подачи недопастеризованного молока в танк хранения при недопустимом снижении температуры пастеризации.

Системы логико-программного управления обеспечивают выполнение в определенной последовательности ряда технологических операций. Примером такой системы может служить управление емкостью или группой емкостей при их заполнении, опорожнении и мойке. Программное управление осуществляется с помощью автоматических программных устройств.

Системы дистанционного управления применяются в случае нецелесообразности автоматического управления. При дистанционном управлении подсистема сбора необходимой информации о состоянии управляемого объекта при помощи контрольно-измерительных приборов комбинируется с подсистемой ручного управления рабочими органами. Оператор осуществляет пуск и остановку электродвигателей технологических объектов, открытие и закрытие кранов, клапанов и задвижек технологических и общетехнологических трубопроводов.