Министерство образования и науки РФ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Национальный исследовательский Томский политехнический университет»

УПРАВЛЕНИЕ ТЕХНИЧЕСКИМИ СИСТЕМАМИ

Письменные лекции для студентов направления 141100 –

«Энергетическое машиностроение»

Томск – 2012 г.

- 2 -

УДК 621.18-5

Управление техническими системами: Письменные лекции для студентов

направления 141100 – «Энергетическое машиностроение». Томск, ТПУ 2012.

– 40 с.

Составитель: к.ф.-м.н., ассистент кафедры АТП ЭНИН ТПУ Глушков Д.О.

- 3 -

АННОТАЦИЯ

В лекциях представлены основные сведения теории автоматического

управления. Приведены основные принципы построения иерархических

систем управления. Проанализированы технические характеристики

микропроцессорных средств автоматизации. Представлены структурные

схемы основных систем управления технологическими процессами паровых

котлов тепловых электрических станций.

- 4 -

Содержание

Лекция 1 5

Лекция 2 12

Лекция 3 18

Лекция 4 24

Лекция 5 29

Литература 39

Дополнительная литература 40

- 5 -

Лекция 1

ВВЕДЕНИЕ

Механизацией в промышленном производстве называют применение

машин и специальных устройств или приспособлений, заменяющих

физический труд человека.

Механизация способствует:

1. облегчению физического труда человека;

2. улучшению условий труда;

3. росту производительности;

4. увеличению объемов промышленного производства.

Пример. На ТЭС в целях механизации используются:

- передвижные подъемные краны и экскаваторы (разгрузка и перегрузка

твердого топлива);

- механические и гидравлические транспортеры сыпучих материалов (угля и

золы);

- электроприводы запорных и регулирующих органов (клапанов, задвижек);

- электроприводы вспомогательных механизмов (тягодутьевых машин,

насосов, углеразмольных мельниц и др.).

При механизированном промышленном производстве человек

непрерывно управляет машинами, механизмами и установками (включает

или отключает их в требуемом порядке) и наблюдает за их действием.

Автоматизацией механизированного производства называют

применение технических средств (измерительные приборы, регуляторы,

вычислительные машины) и систем управления, освобождающих человека

частично или полностью от непосредственного участия в процессах

выработки, преобразования и передачи управляющих воздействий.

Пример. Первый регулятор промышленного назначения – регулятор

уровня воды и барабане парового котла, разработанный и внедренный

известным русским теплотехником И.И. Ползуновым еще в XVIII веке (1765

г.). Этот регулятор действует следующим образом (рис. 1.1).

- 6 -

Рис. 1.1. Регулятор уровня воды в барабане парового котла

При появлении небаланса между притоком поды в котел DП.В. и

уходящим из него паром DП уровень воды в барабане (регулируемая

величина) НБ, начнет отклоняться от своего первоначального среднего

значения (например, повышаться). Тогда поплавок (чувствительный элемент)

1, поднимаясь вдоль направляющей, начнет закрывать заслонку 2

(регулирующий орган) и тем самым уменьшать приток питательной воды в

барабан.

Автоматическое регулирование – процесс поддержания заданного

значения какой-либо физической величины в машинах, аппаратах или иных

технических устройствах без непосредственного участия человека с

помощью специализированных устройств – автоматических регуляторов.

Автоматизированное регулирование – процесс поддержания

заданного значения какой-либо физической величины в машинах, аппаратах

или иных технических устройствах при условии непосредственного участия

человека – оператора.

Автоматизация технологического процесса предусматривает:

- дистанционное управление машинами и механизмами;

- теплотехнический контроль текущих значений параметров

технологического процесса;

- технологическую сигнализацию о состоянии основного и вспомогательного

оборудования;

- автоматическую защиту основного и вспомогательного оборудования от

возможных повреждений в процессе эксплуатации;

- непрерывное регулирование, обеспечивающее автоматическое поддержание

технологических параметров вблизи заданного значения;

- 7 -

- логическое управление, обеспечивающее автоматическое включение или

отключение регуляторов, машин, механизмов и установок в заданной

последовательности.

ОДНОКОНТУРНАЯ СИСТЕМА АВТОМАТИЧЕСКОГО

РЕГУЛИРОВАНИЯ

Рассмотрим одноконтурную АСР:

ε

ν

а)

б)

в)

Рис. 1.2. Простейшая одноконтурная АСР (а), автоматизированная

система регулирования (б), автоматическая система регулирования (в):

s – сигнал задания, задающее входное воздействие;

ε – статическая ошибка регулирования;

ν – внешнее возмущающее воздействие (помеха: э/м наводки от проводных и

беспроводных линий связи);

y – регулируемая величина;

ОП – оператор;

Зд – задатчик.

Передаточная функция – это математическое описание реальных

объектов в ТАУ.

- 8 -

Большинство физических явлений, объектов возможно описать при

помощи обыкновенных дифференциальных уравнений или уравнений в

частных производных. В ТАУ применяют преобразование Лапласа для

данных уравнений, в итоге получается математическое описание

технологических объектов в специальном виде.

В ТАУ существует несколько основных типов элементарных звеньев

(таблица), комбинация которых позволяет достаточно точно описать

технологический процесс.

- 10 -

Различают следующие основные типы автоматических

регуляторов:

1. Пропорциональный (П-регулятор), ( ) , p p pW p k k const= = .

2. Интегральный (И-регулятор), 1

( ) , p u

u

W p T constT p

= = .

3. Пропорционально-интегральный (ПИ-регулятор), ( )p

p p

u

kW p k

T p= + .

4. Пропорционально-дифференциальный (ПД-регулятор), ( )p p дW p k k p= + .

5. Пропорционально-интегрально-дифференциальный (ПИД-регулятор),

( )p

p p д

u

kW p k k p

T p= + + .

- 12 -

Лекция 2

ПРОДОЛЖЕНИЕ

В ТАУ существует понятие переходного процесса.

Переходный процесс – это реакция системы из установившегося

состояния на входное воздействие в виде единичной ступенчатой функции.

Кривая разгона – это реакция системы из установившегося состояния

на входное воздействие в виде ступенчатой функции с амплитудой отличной

от единицы как в большую, так и в меньшую сторону.

Пример переходного процесса: Регулирование наполнения бака

жидкостью, при условии, что бак имеет сток.

Рис. 2.1. Переходный процесс в АСР:

1 – колебательный, 2 – монотонный, 3 – апериодический

Для качественного описания переходного процесса существуют прямые

оценки качества. Рассмотрим типовые переходные процессы по каналу

задания (рис. 2.2, а) и по каналу возмущающего воздействия (рис. 2.2, б).

- 13 -

а)

б)

Рис. 2.2. Переходный процесс в АСР каналу задания (а), по каналу

возмущающего воздействия (б)

- 14 -

Прямые критерии качества:

1. Перерегулирование

1 100% ( )( )

Аa

yσ = ⋅ −

∞

3

1

100% ( )А

бА

σ = ⋅ −

2. Максимальная динамическая ошибка

1 ( )А a−

3. Динамический коэффициент регулирования

1д

( )100%

об

А yR

k

+ ∞= ⋅ ,

где обk – коэффициент передачи объекта (предельное отклонение

регулируемой величины объекта ( )y ∞ ) при отсутствии регулирования.

4. Статическая ошибка

( ) ( )ст S y aε = − ∞ −

( ) ( )ст y бε = ∞ −

5. Степень затухания

1 2 2

1 1

1А А А

А Аψ

−= = −

6. Время регулирования pt определяется графически. Это время, по

истечении которого отклонение регулируемой величины от установившегося

состояния не будет превышать некоторой наперед заданной величины δ .

Обычно 0,05 ( )yδ = ⋅ ∞ для процессов (а) и 0,05 обkδ = ⋅ для процессов (б)

АВТОМАТИЧЕСКОЕ РЕГУЛИРОВАНИЕ И УПРАВЛЕНИЕ НА ТЭС

Автоматическое регулирование барабанных котельных агрегатов

Задачи автоматического регулирования процессов, протекающих в

котлоагрегате, сводятся, в основном, к необходимости поддерживания

материального и энергетического баланса в нем. В том случае, когда

параметры находятся на неизменном уровне, режим работы котла называют

стационарным.

Рассмотрим принципиальную схему технологического процесса,

протекающего в барабанном паровом котле (рис. 2.3).

Топливо поступает через горелочные устройства в топку 1, где

сжигается обычным факельным способом. Для поддержания процесса

горения в топку поступает воздух в количестве Qв. Он нагнетается с

помощью вентилятора ДВ и предварительно нагревается в

воздухоподогревателе 9. Образовавшиеся в процессе горения дымовые газы

- 15 -

Qг отсасываются из топки дымососом ДС. По ходу движения они проходят

через поверхности нагрева пароперегревателей 5, 6, водяного экономайзера

8, воздухоподогревателя 9 и удаляются через дымовую трубу в атмосферу.

Процесс парообразования происходит в подъемных трубах

циркуляционного контура 2, экранирующих экранную камерную топку и

снабжаемых водой из опускных труб 3.

Насыщенный пар Dб из барабана 4 поступает в пароперегреватель, где

нагревается до установленной температуры за счет радиации факела и

конвективного обогрева топочными газами. При этом температура перегрева

пара регулируется в пароохладителе 7 с помощью впрыска воды Dвпр.

Рис. 2.3. Принципиальная схема барабанного котлоагрегата:

1 – топка;

2 – подъемные трубы циркуляционного контура;

3 – опускные трубы;

4 – барабан;

5 – радиационная часть ПП;

6 – конвективная часть ПП;

7 – впрыскивающий пароохладитель;

8 – экономайзер;

9 – воздухоподогреватель.

- 16 -

ГПЗ – главная паровая задвижка;

РПК – регулирующий питательный клапан;

ДВ – дутьевой вентилятор;

ДС – дымосос.

Bт – расход топлива;

Dпр. – расход воды на продувку;

Hб.– уровень в барабане;

Dб – расход пара из барабана;

Pб – давление в барабане;

Sт – разрежение в верхней части топки;

Qт – тепловыделение в топке;

Qв – расход воздуха;

Dвпр. – расход воды на впрыск;

O2 – содержание кислорода в уходящих газах;

Qг – расход дымовых газов от котла;

Dп.в. – расход питательной воды;

Dп.п. – расход перегретого пара;

tп.п. – температура перегретого пара;

Рп.п. – давление перегретого пара.

Основными регулируемыми величинами котла являются:

- расход перегретого пара Dп.п.;

- давление перегретого пара Рп.п.;

- температура перегретого пара tп.п..

Расход перегретого пара является переменной величиной и

определяется нагрузкой котельного агрегата, в свою очередь давление и

температура поддерживаются в пределах допустимых отклонений, что

обуславливается требованиями заданного режима работы турбины или иного

потребителя тепловой энергии.

Также в пределах допустимых отклонений поддерживают следующие

величины:

- уровень воды в барабане Hб – регулируется изменением подачи

питательной воды Dп.в.;

- разрежение в верхней части топки Sт – регулируется изменением

производительности дымососов, удаляющих дымовые газы из топки;

- оптимальный избыток воздуха за пароперегревателем α(O2) – регулируется

изменением производительности дутьевых регуляторов, нагнетающих воздух

в топку;

- солесодержание котловой воды (в пересчете на NaCl) – регулируется

изменением расхода воды Dпр., выпускаемой из барабана в расширитель

непрерывной продувки.

- 17 -

Котел, как объект управления, представляет собой сложную

динамическую систему, в которой изменение одного параметра неизбежно

влечет изменение других параметров технологического процесса. Например,

изменение расхода топлива ведет к изменению содержания кислорода в

уходящих газах, давления и расхода перегретого пара.

Система управления барабанным котлом включает три автономные

АСР процессов:

- горения и парообразования;

- температуры перегрева пара;

- питания и водного режима.

- 18 -

Лекция 3

Регулирование питания барабанного котлоагрегата водой

Принято, что максимальное отклонение уровня воды в барабане

составляет ± 100 мм среднего значения, установленного заводом-

изготовителем. Среднее значение может не совпадать с геометрической осью

барабана. Максимально допустимое отклонение уточняется в процессе

эксплуатации.

Снижение за пределы водомерного стекла, устанавливаемого на

барабане, считается «упуском» воды, а превышение его верхней видимой

части – «перепиткой». Среднее расстояние между этими критическими

отметками составляет 400 мм.

Последствия неправильной работы АСР:

- снижение уровня до места присоединения опускных труб циркуляционного

контура приводит к нарушению естественной циркуляции котловой воды по

циркуляционному контуру и может вызвать нарушение прочности труб в

местах стыковки с корпусом барабана, а в более тяжелых случаях приводит к

пережегу подъемных труб;

- чрезмерное повышение уровня вызывает нарушение нормального режима

работы сепаратора и может привести к преждевременному заносу

пароперегревателя солями, а также попаданию частиц воды на вращающиеся

лопатки турбины, что является причиной тяжелых механических

повреждений ее ротора и лопаток.

- 19 -

Трехимпульсная АСР уровня воды (рисунок 3.1):

Рис. 3.1. Трехимпульсная АСР уровня воды:

Д1 – датчик уровня воды в барабане котла; Д2 – датчик расхода перегретого пара; РУ –

регулирующее устройство; ИМ – исполнительный механизм; РПК – регулирующий

питательный клапан; S – задающее воздействие; Нб – уровень воды в барабане котла;

Dп.п. – расход перегретого пара; Dп.в – расход питательной воды; Д3 – датчик расхода

питательной воды; СУ – сосуд уравнительный; СК – сосуд конденсационный; Эк – эконо-

майзер; ПП – пароперегреватель

Регулирование температуры перегрева пара

Свойства КА как объекта регулирования температуры перегретого пара

К АСР температуры перегретого пара предъявляются весьма высокие

требования. Так предельные отклонения температуры от заданного значения

(t=540 0С) могут составлять -10 ÷ + 5

0С.

Способы воздействия на температуру перегретого пара:

1. Смешивание.

2. Поверхностное охлаждение.

3. Воздействие на тепловосприятие.

Рассмотрим каждый из способов регулирования температуры.

Нб

Д1

РУ

S

ИМ

РП

К

~

Д2

(–)

Dпп

(–)

Д3

С

У С

К

Эк

П

П

Dпв

- 20 -

1. Смешивание (впрыск питательной воды)

Рис. 3.2. Схема впрыска питательной воды:

ПВ – питательная вода; РПК – регулирующий питательный клапан; Эк –

экономайзер; Б – барабан; ПП1,2 – пароперегреватель; ВПО –

впрыскивающий пароохладитель; ПП – перегретый пар

Давление в ВПО меньше, чем давление в питательной магистрали. Т.к.

ПГ – это гидравлическое сопротивление, то питательная вода самотеком

поступает в ВПО, где смешивается с потоком. Впрыск является

регулирующим воздействием и одновременно возмущающим воздействием.

В том случае, когда качество воды не является достаточным, применяют

впрыск «собственного» конденсата.

Существуют другие схемы смешивания:

- впрыска собственного конденсата (одноконтурная схемы с ВПО и расходом

конденсата из барабана);

- впрыска пара с меньшим теплосодержанием (осуществляется

байпасирование пара через необогреваемый байпас).

2. Поверхностное охлаждение

Поверхностные пароохладители представляют собой трубчатый

теплообменник, внутри труб которого протекает охлаждающая вода (обычно

питательная), а снаружи они омываются потоком охлаждаемого пара.

Поверхностные пароохладители используют на котлах малой

паропроизводительности.

- 21 -

Рис. 3.3. Схема поверхностного охлаждения перегретого пара

Поверхностный пароохладитель весьма инерционен, поэтому качество

регулирования температуры достаточно низкое.

3. Воздействие на тепловосприятие

Изменение положения факела.

Рис. 3.4. Схема воздействия на тепловосприятие котлоагрегата

Для пылеугольных котлов изменение положения факела достигается за

счет включения/отключения отдельных ярусов горелок при их многоярусном

расположении. Такой способ воздействия снижает экономичность работы

КА, т.к. при изменении положения факела нарушается настроенный

топочный режим.

Байпасирование дымовых газов.

- 22 -

Рис. 3.5. Схема воздействия на тепловосприятие котлоагрегата

Газоход котла секционируется. Заслонки расположены таким образом,

что они могут перекрывать газоход к некоторой части и открывать его в

другой части. Тогда газы будут омывать только часть теплообменника и

температура на выходе будет уменьшаться.

Принципиальная схема регулирования температуры перегретого пара

Для регулирования температуры перегретого пара обычно применяется

паровое регулирование.

Рассмотрим схемы регулирования температуры перегретого пара

впрыском собственного конденсата.

Для улучшения качества переходного процесса применяют каскадную

схему регулирования температуры перегрева пара (рис. 3.6).

- 23 -

Рис. 3.6. Принципиальная схема каскадной АСР температуры

перегретого пара: ДФ – дифференциатор;

Р – регулятор;

Т1, Т2 – термоэлектрические термометры;

РК – регулирующий клапан;

D1 – количество пара, поступающего в пароохладитель с температурой θ 1;

D2 – количество пара, выходящего из пароохладителя с температурой θ2;

θ3 – температура пара за впрыском;

W – количество впрыскиваемой воды с температурой θ в.

Основная регулируемая величина объекта – температура перегретого

пара θ2 – измеряется термоэлектрическим термометром (ТЭТ) Т1, сигнал от

которого подается на регулятор. Кроме того, в схеме используется

добавочное воздействие от вспомогательной регулируемой величины θ3 –

температуры пара непосредственно за пароохладителем. В результате

изменения температуры пара θ3, которые могут быть вызваны изменением

температуры пара в первой ступени пароперегревателя или самопроизволь-

ным изменением расхода воды на впрыск (возмущениями, идущими со

стороны регулирующего органа), сразу же воспринимаются ТЭТ Т2 и

регулятор производит необходимое изменение расхода воды на впрыск до

начала изменения температуры перегретого пара.

Так как в установившихся режимах работы котла регулятор должен

контролировать лишь температуру на выходе пароперегревателя θ2, сигнал от

θ3 должен появляться лишь в переходных режимах (так как в про-

тивоположном случае регулятор будет поддерживать на заданном значении

не температуру пара после пароперегревателя, а сумму температур пара

после пароперегревателя и после пароохладителя). Поэтому преобразователь

сигнала ДФ обычно выполняют в виде реального дифференцирующего звена.

Таким образом, каскадная АСР температуры перегретого пара

обеспечивает относительное постоянство температуры пара на входе в

регулируемый участок, а, следовательно, и более высокое качество

регулирования температуры на выходе из пароперегревателя.

- 24 -

Лекция 4

Автоматическое регулирование тепловой нагрузки и процессов горения

в топках барабанных котлов

Показателем материального баланса может служить постоянство

давления в каждой точке пароводяного тракта. Обычно это РБ, таким образом

показателем тепловой нагрузки является постоянство давления. Для

поддержания тепловой нагрузки нужно подавать в топку котла топливо и

воздух. Топливо должно сжигаться наиболее экономичным способом. Это

достигается подачей соответствующего количества воздуха, необходимого

для горения. В современных котлах используется факельный способ

сжигания топлива. Показателем устойчивости горения факела может служить

постоянство разрежения в верхней части топки.

Таким образом, можно выделить 3 локальные системы регулирования:

1. Система регулирования тепловой нагрузки;

2. Система регулирования экономичности процесса горения (АСР

воздуха);

3. АСР разряжения.

- 25 -

Принципиальная схема регулирования тепловой нагрузки.

Регулирование подачи топлива по схеме «задание – теплота»

1

4

РО ИМ

Вт

1

4

РОИМ

Вт

К1 К2

5

6

К другим КА

2 2

3 3

Рис. 4.1. Схема регулирования подачи топлива «задание – теплота»:

1 – датчик давления; 2 – дифференциатор; 3 – датчик дифференциального

давления; 4 – регулятор расхода топлива (стабилизирующий регулятор); 5 –

датчик давления; 6 – главный регулятор (корректирующий)

- 26 -

Регулирование экономичности процесса горения

Экономичность работы котла оценивается по его КПД, равному

отношению полезной теплоты, затраченной на генерирование и перегрев

пара, к располагаемой теплоте, которая могла быть получена при сжигании

всего топлива.

Без учета теплоты, вносимой в топку воздухом, и потерь на продувку

КПД котла:

. . 0 . .( )п п п вк р

т н

D i i

B Qη

−= , (4.1)

где 0i , . .п вi – энтальпии перегретого пара и питательной воды; р

нQ – низшая рабочая теплота сгорания топлива.

Также КПД модно выразить через тепловые потери, сопровождающие

процесс горения:

2 3 4 5 61 ( )к q q q q qη = − + + + + . (4.2)

Регулирование экономичности процесса горения непосредственно по

КПД (4.1) или суммарной оценке тепловых потерь (4.2) пока не получило

широкого распространения из-за отсутствия надежных способов и средств их

непрерывного измерения.

Одним из наиболее подходящих косвенных способов оценки

экономичности процесса горения является анализ состава топочных газов,

покидающих топку. На основе зависимости КПД от избытка воздуха,

определяемого индивидуально для каждого КА, целесообразно поддерживать

оптимальное значение коэффициента избытка воздуха оптα , при котором

КПД котла к максη η→ и суммарные потери 6

2

i

i

q=

∑ стремятся к минимуму.

Значение коэффициента избытка воздуха можно оценить по содержанию

свободного кислорода в газах, покидающих топочную камеру, по формуле:

2

21

21 [ ]Oα =

−.

Оптимальное значение О2 в поворотной камере при номинальной

нагрузке и сжигании пылевидного топлива составляет 3–5 %, при сжигании

мазута и газа значительно меньше – 0,2–2 %.

Основным способом регулирования оптимального значения избытка

воздуха за пароперегревателем служит изменение количества воздуха,

- 27 -

подаваемого в топку с помощью дутьевых вентиляторов. Существует

несколько вариантов схем автоматического управления подачей воздуха:

1. регулирование экономичности по соотношению «топливо – воздух»;

2. регулирование экономичности по соотношению «пар – воздух»;

3. регулирование экономичности по соотношению «теплота – воздух»;

4. регулирование экономичности по соотношению «задание – воздух».

Рассмотрим более подробно одну из схем управления.

Регулирование экономичности по соотношению «теплота – воздух»

В данной системе управления тепловыделение в топке оценивается по

расходу перегретого пара и скорости изменения давления пара в барабане.

ИМ

2 36

7

О2

Vв

V г

1

4 5

Рис. 4.2. Схема регулирования экономичности процесса горения по

соотношению «теплота – воздух»:

1, 2 – датчики дифференциального давления; 3 – стабилизирующий

регулятор; 4 – датчик давления; 5 – дифференциатор; 6 – газоанализатор; 7 –

корректирующий регулятор

- 28 -

Регулирование разрежения в топке

Небольшое (до 20 – 30 кПа) постоянное разрежение Sт в верхней части

топки котла обуславливает нормальный режим работы котла.

Разрежение:

- препятствует выбиванию газов из топки;

- способствует устойчивости факела;

- является косвенным показателем материального баланса между

нагнетаемым в топку воздухом и уходящими газами.

Регулирование разрежения обычно осуществляется посредством

изменения количества уходящих газов, отсасываемых дымососами.

Производительность дымососов возможно регулировать путем

изменения числа оборотов их рабочего колеса при помощи:

- поворотных многоосных дроссельных заслонок;

- направляющих аппаратов;

- гидромуфт.

Наибольшее распространение получила схема регулирования

разряжения с одноимпульсным ПИ-регулятором, реализующая принцип

регулирования по отклонению.

Рассмотрим принципиальную схему системы регулирования

разрежения.

ИМ

3

1

2

Sт

Vв

ИМ

РОVг

4

Рис. 4.3. Схема регулирования разряжения в топке котла:

1 – датчик разрежения; 2 – регулирующее устройство регулятора разрежения;

3 – регулирующее устройство регулятора воздуха; 4 – устройство

динамической связи

- 29 -

Лекция 5

Автоматизированные системы управления (АСУ)

АСУ – это система, состоящая из персонала (оператора) и комплекса

технических средств автоматизации его деятельности, реализующая

информационную технологию выполнения установленных функций.

Автоматизированное управление призвано обеспечить технико-

экономическую эффективность производства при соблюдении

технологических, режимных и экологических ограничений.

Техническими предпосылками применения АСУ являются:

- усложнение производственных процессов (использование форсированных

режимов с повышенными давлениями, температурами, скоростями реакций);

- появление новых производств, функционирующих в критических режимах;

- усиление и усложнение технологических связей между отдельными

звеньями технологического процесса.

Создание АСУ является сложной научно-технической и

организационно-экономической проблемой, решение которой требует

значительных трудовых, материальных и финансовых ресурсов

(проектирование АСУ, разработка программно-технического комплекса,

пуско-наладка АСУ). При создании АСУ необходимо осуществить

совместную разработку функций системы и функций людей.

Процессы управления независимо от природы объектов состоят из

взаимосвязанных этапов (рис. 5.1):

- сбора и обработки информации о состоянии объекта управления;

- анализа информации и принятия решения;

- реализации решения по управлению.

- 30 -

Рис. 5.1. Этапы процесса управления

В АСУ сбор и обработка информации автоматизированы и, как правило,

осуществляются без участия человека.

Анализ информации, принятие решения по управлению (выработка

управляющих воздействий) и реализация управляющих воздействий могут

осуществляться при участии человека или в автоматическом режиме.

АСУ могут отличаться природой объекта управления, характером и

объемом решаемых задач, структурой (рис. 5.2) и другими признаками.

Рис. 5.2. Структуры системы управления:

а) – централизованная; б) – децентрализованная; в) – иерархическая;

I, II, III – уровни системы управления

Информация

Контроль

информации

Задание (план)

Сбор и обработка

информации

Объект управления

Анализ Подготовк

а решения

Принятие

решения

Управляющие

воздействия

Исполнительные

органы

Анализ и принятие решения Реализация

решения

- 31 -

На промышленных предприятиях возможны три вида АСУ:

I. Автоматизированная система управления предприятием (АСУП) – это АСУ, предназначенная для решения основных задач управления

производственно-хозяйственной деятельностью промышленного

предприятия в целом и (или) его самостоятельных частей на основе

применения экономико-математических методов и информационных

технологий.

АСУП должна:

1) обеспечить автоматизированный сбор и обработку информации по

основным задачам и подсистемам общезаводского и цехового уровня, в том

числе, при необходимости, в реальном масштабе времени в режиме

телеобработки и диалога;

2) реализовываться в виде совокупности совместно функционирующих

подсистем, взаимодействие между которыми должно происходить через

общую (единую или распределенную) базу данных.

3) повышать эффективность производственно-хозяйственной

деятельности предприятия;

4) обеспечивать возможность совершенствования методов управления,

структуры системы управления предприятием и их развитие.

Критерием управления для АСУП может являться сумма прибыли

предприятия за планируемый период. Максимизация этого критерия при

учете соответствующих ограничений служит формализованной целью

управления предприятием.

II. Автоматизированная система управления технологическим

процессом (АСУ ТП) – это АСУ для выработки и реализации управляющих

воздействий на технологический объект управления в соответствии с

принятым критерием управления.

Автоматизированная система управления может быть отнесена к классу

АСУ ТП, если она осуществляет воздействие на объект в темпе протекания

технологического процесса, обеспечивает управление технологическим

объектов в целом, а ее технические средства участвуют в выработке решений

по управлению и реализации управляющих воздействий.

АСУ ТП не входят непосредственно в АСУП. При совместной

разработке, внедрении и эксплуатации на предприятии АСУ ТП и АСУП

рассматриваются как взаимосвязанные системы.

- 32 -

АСУ ТП получает от АСУП:

- задания и ограничения;

- данные об объеме производства;

- технико-экономические показатели.

Также АСУП передает на верхние уровни управления предприятием

необходимую технико-экономическую и коммерческую информацию о

выполнении заданий, основных показателях выпускаемой продукции,

состоянии оборудования, ходе технологического процесса и др.

III. Интегрированная АСУ (ИАСУ) – это объединение нескольких

АСУ отдельными технологическими процессами и производствами между

собой.

ИАСУ эффективны в тех случаях, когда в них реализуется

взаимосвязанное, согласованное управление технологией, организацией

производства и стратегическим планированием в масштабе всего

предприятия (рис. 5.3).

Рис. 5.3. Задачи и программные системы интегрированной АСУ:

OLAP – система анализа данных (On Line Analytical Processing); ERP –

система управления ресурсами предприятия (Enterprise Recourse Planning);

SCADA – программные средства АСУ (Supervisory Control and Data

Acquisition); КИС – корпоративная информационная система

КИС

АСУП

АСУ ТП

Задачи АС Средства АС

Высший менеджмент,

стратегическое

управление

Административно-

хозяйственное

управление

Управление

производством

Управление

технологическим

объектом

OLAP – системы

ERP – системы

SCADA – системы

Программно-

технический

комплекс

- 33 -

Функции и задачи АСУ ТП

Функция АС – это совокупность действий системы, направленных на

достижение определенной цели.

Задача АС – функция или часть функции АС, представляющая собой

формализованную совокупность автоматических действий, выполнение

которых приводит к результату заданного вида.

Существует три функции АСУ ТП:

1. Информационная функция АСУ ТП заключается в получении,

обработке и передаче персоналу АСУ ТП информации о ТОУ или внешней

среды.

Реализуется путем выполнения следующих типов задач:

- контроль параметров технологического процесса, проверка

соответствия основных параметров допустимым значениям и

информирование персонала о их нарушении;

- измерение, индикация и регистрация параметров процесса по вызову

оператора или циклически, вычисление ТЭП;

- анализ и обобщение оценки состояния технологического процесса и

технологического оборудования.

2. Управляющая функция АСУ ТП заключается в получении

информации о состоянии ТОУ, оценке информации, выборе управляющих

воздействий и их реализации.

Задачами в составе управляющих функций являются:

- одноконтурное и многоконтурное (каскадное) автоматическое

регулирование;

- многосвязное автоматическое регулирование;

- программное автоматическое регулирование;

- оптимальное управление установившимися режимами (в статике);

- согласование (координация) подсистем и оптимальное распределение

ресурсов;

- оптимальное управление переходными процессами (оптимизация

динамических режимов);

- адаптивное управление с самообучением и изменением алгоритмов и

параметров управления.

3. Вспомогательные функции АСУ ТП заключаются в сборе и

обработке данных о состоянии технологического или программного

обеспечения АСУ ТП и представление этой информации персоналу или

осуществление управляющих воздействий на соответствующие средства

АСУ.

- 34 -

Разновидности АСУ ТП

Существует три разновидности:

1. АСУ ТП, в которых информационные и управляющие функции

выполняются без применения средств вычислительной техники

Основные функции таких систем управления:

- измерение и контроль параметров технологического процесса;

- программное управление (включая пуск и останов оборудования);

- автоматическая защита оборудования от аварий;

- оперативная связь с другими ступенями управления.

Технологический объект управления

Источники информации Исполнительные механизмы

Индиви-

дуальный

контроль

Контроль

по вызову

Массовый

контроль

Сигнали-

зация

Дистан-

ционное

управ-

ление

Логи-

ческое

управ-

ление

Автомати-

ческие

системы

регули-

рования

Автомати-

ческая

защита

Информация УправлениеЦентральный пункт

управления

Рис. 5.4. Функциональная структура АСУ ТП без ВК

1) Индивидуальный контроль – контроль и регистрация наиболее важных

технологических параметров (вычисление ТЭП, прогнозирование

контролируемых величин, оценка качества работы системы, анализ причин

возникновения и ход развития аварий).

2) Контроль по вызову – периодическое измерение менее значимых

параметров. Осуществляется оператором с помощью одного показывающего

- 35 -

прибора и подключаемых к нему через переключающее устройство группы

первичных преобразователей.

3) Массовый контроль – измерение большого количества однотипных

вспомогательных параметров при малой вероятности их отклонения от

заданного значения (температура металла, температура подшипников и т.д.).

4) Устройства сигнализации – вырабатывают световой или звуковой

сигнал, информирующий оператора о нарушении нормального режима.

5) Системы дистанционного управления – передают воздействия

оператора на регулирующие, запорные органы, пусковые и отключающие

устройства механизмов, удаленные от поста управления.

6) Логическое управление.

7) Автоматические системы регулирования – поддерживают

технологические параметры и производительность на заданном уровне или

по заданной программе.

8) Устройства защиты и блокировок – предназначены для

предотвращения аварий, при выходе из строя отдельных элементов

оборудования. Система защит выполняется независимой. Имеет собственные

датчики и преобразователи отклонений контролируемых величин,

независимые каналы управляющих воздействий, а также собственные

резервируемые источники питания.

Оптимизация режимов работы такой системы осуществляется

оператором путем воздействия на задатчики автоматических регуляторов и

органы управления в соответствии с указаниями, поступающими с верхних

уровней АСУ ТП.

В настоящее время такие системы являются устаревшими, они подлежат

модернизации с применением микропроцессорных средств управления.

Малая надежность, высокое энергопотребление, большие габариты,

сложность обслуживания.

- 36 -

2. АСУ ТП с информационными или информационно-

управляющими ВК

Эти системы являются вторым поколением АСУ ТП. К ним относятся

АСУ ТП:

- с информационным вычислительным комплексом (ИВК);

- с ВК, выполняющим функции «советчика» оператора;

- с управляющим ВК (УВК), выполняющим функции супервизорного

управления и непосредственного цифрового управления (НЦУ).

Информационная структура АСУ ТП с ВК представлена на рис. 5.5.

Рис. 5.5. Информационная структура АСУ ТП с ВК

АСУ ТП с ИВК содержит все присущие предыдущей системе

функциональные элементы. Дополнена средствами вычислительной техники,

получающими информацию о состоянии объекта и выполняющими функции

централизованного контроля и вычисления комплексных ТЭП.

Анализ информации, выработка решений и реализация управляющих

воздействий возлагаются на оператора.

АСУ ТП с ВК, выполняющим функции «советчика» оператора. Кроме

функций, выполняемых в предыдущей системе, на ВК возлагается задача

анализа и принятия решений с выдачей рекомендаций по управлению

(численное решение оптимизационных задач) оператору-технологу.

- 37 -

АСУ ТП с ВК, выполняющим функции централизованного

управляющего устройства (супервизорное управление). В таких системах ВК

включается в контур регулирования и вырабатывает управляющие

воздействия по изменению заданий САР без участия оператора, он только

наблюдает за процессом и осуществляет ручное управление при отказе

автоматических устройств.

АСУ ТП с ВК, выполняющим функции НЦУ. Сигналы для управления

исполнительными механизмами вырабатываются непосредственно ВК, а

автоматические регуляторы исключаются из системы или выводятся в

резерв.

Для правильного функционирования системы нужен надежный ВК с

резервированием отдельных частей, поэтому при построении таких АСУ ТП

применяют принцип децентрализации с распределенной структурой АСУ

ТП.

3. Распределенные АСУ ТП

В АСУ ТП этого вида выполнение информационных и управляющих

функций осуществляется взаимосвязанными микропроцессорными

контроллерами, объединенными между собой локальными вычислительными

сетями и входящими в вычислительную систему иерархической структуры

(рис. 5.6).

Рис. 5.6. Техническая структура распределенной АСУ ТП с локальными

технологическими станциями (ЛТС)

Появление микропроцессорных контроллеров позволило приблизить

средства сбора и обработки данных к ТОУ, сократить потоки информации к

центральной ИВК и организовать комплекс мер по повышению надежности

(самодиагностика, автоматическое резервирование и оптимальное

обслуживание ТСА).

- 38 -

Классификационными признаками АСУ ТП являются:

1. уровень, занимаемый системой в организационно-производственной

иерархии (нижний, средний, верхний);

2. характер протекания управляемого процесса во времени

(непрерывные, дискретные, непрерывно-дискретные);

3. показатель условной «информационной мощности» объекта

управления (определяется числом измеряемых, контролируемых

параметров);

4 степень функциональной развитости АСУ (характеризуется двумя

наиболее сложными функциями – 1-я информационная, 2-я – управляющая,

реализуемыми в данной системе с помощью средств автоматической

переработки информации).

- 39 -

Литература

1. Основы автоматизации химических производств / Под ред.

П.А. Обновленского; А.Л. Гуревича. – Л.: Химия, 1975. – 527 с.

2. Е.П. Стефани. Основы построения АСУТП: Учеб. пособ. – М.:

Энергоиздат, 1982. – 352 с.

3. Методы оптимизации в химической технологии: учебное пособие /

А.И. Бояринов, В.В. Кафаров. – 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Химия, 1975. –

575 с.

4. С.Б. Плетников, Д.Б. Силуянов. Автоматизация технологических

процессов тепловых электростанций – М.: Испо-Сервис, 2001. – 156 с.

5. Автоматизированное управление объектами тепловых электростанций:

учебное пособие / Г.П. Плетнев. – М.: Энергоатомиздат, 1981. – 368 с.

6. А.С. Клюев, А.Г. Товарнов. Наладка систем автоматического

регулирования котлоагрегатов – М.: Энергия, 1970. – 280 с.

7. В.Д. Пивень, В.К. Богданов, Э.И. Ганжерли и др. Автоматизация

энергетических блоков. – М.: Энергия, 1965. – 351 с.

8. Промышленная теплоэнергетика и теплотехника: справочник / Под ред.

А.В. Клименко; В.М. Зорина. – 3-е изд., перераб. и доп. – М.: Изд-во МЭИ,

2004. – 631 с. (Теплоэнергетика и теплотехника: справочная серия: В 4 кн.;

Кн. 4).

9. Иванова Г.М. Теплотехнические измерения и приборы: учебник для вузов /

Г. М. Иванова, Н. Д. Кузнецов, В. С. Чистяков. – 3-е изд., стер. – М.: Изд-во

МЭИ, 2007. – 458 с.

10. Автоматическое управление технологическими процессами на ТЭС:

учебное пособие для вузов / В.С. Андык; Томский политехнический

университет. – Томск: Изд-во ТПУ, 2006. – 96 с.

- 40 -

Дополнительная литература

1. Дудников Е.Г. Основы автоматического регулирования тепловых

процессов. М.: ГЭИ, 1956. – 264 с.

2. Стефани Е.П. Основы расчета настройки регуляторов

теплоэнергетических процессов. – М.: ГЭИ, 1960. – 395 с.

3. Стефани Е.П. Основы расчета настройки регуляторов теплоэнергетических

процессов. Изд. 2-е, перераб. М.: Энергия, 1972. – 376 с.

4. Ротач В.Я. Расчет настройки промышленных систем регулирования. – М.:

ГЭИ, 1961. – 344 с.

5. Ротач В.Я. Расчет динамики промышленных автоматических систем

регулирования. – М.: Энергия, 1973. – 440 с.

6. Ротач В.Я. Теория автоматического управления теплоэнергетическими

процессами: Учебник для вузов. – М.: Энергоатомиздат, 1985. – 296 с.

7. Методы расчета систем автоматического регулирования / Под ред.

Волгина В.В. – 2-е изд.– М.: Изд. МЭИ, 1972. – 226 с.

8. Гурецкий Х. Анализ и синтез систем управления с запаздыванием. – М.:

Машиностроение, 1974. – 328 с.

9. Клюев А.С., Лебедев А.Т., Новиков С.И. Наладка систем автоматического

регулирования барабанных паровых котлов. – М.: Энергоатомиздат, 1985. –

280 с.

10. Наладка средств автоматизации и автоматических систем регулирования:

Справочное пособие / А.С. Клюев, А.Т. Лебедев, С.А. Клюев, А.Г. Товарнов;

под ред. А.С. Клюева. – 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Энергоатомиздат,

1989. – 368 с.

11. Теория автоматического управления: Учеб. для вузов по спец.

«Автоматика и телемеханика». В 2-х ч. Ч.1: Теория линейных систем

автоматического управления / Под ред. А.А. Воронова.-2-е изд., перераб. и

доп. – М.: Высш. шк.,1986. – 367 с.

12. Андык В.С. Теория автоматического управления: Учебное пособие. –

Томск: Изд-во ТПУ, 2000, 2004, 2005. – 108 с.