Тема 1
Основные понятия и определения автоматизации
Понятие автоматизации
Автоматикой называют область современной науки и техники, в которой рассматриваются принципы и технические средства управления машинами, комплексами оборудования и технологическими процессами без непосредственного участия человека.
Автоматизация - применение технических средств, экономико-математических методов, освобождающих человека частично или полностью от непосредственного участия в процессах получения, передачи, преобразования и использовании энергии, материалов или информации.
Необходимой базой для создания автоматических систем управления является механизация производства, заключающаяся в передаче машине механических, связанных с большими мышечными усилиями, функций человека в производственном процессе. Так, внедрение забойных комбайнов, породопогрузочных машин и конвейеров позволяет устранить тяжелый физический труд по отбойке, погрузке и транспортировке горной массы.
Автоматизация технологических процессов— это высший этап развития машинного производства, когда техническим устройствам передаются функции управления, ранее выполнявшиеся человеком к связанные с работой его мозга (контроль, сигнализация, выбор наивыгоднейшего режима работы оборудования и т. п.). Например, современная автоматизированная водоотливная установка без непосредственного участии человека выбирает моменты включения и отключения насосов, обеспечивает все необходимые виды зашит, сигнализацию, блокировки, т. е. выполняет функции, не столько сходные с мышечной, сколько с умственной деятельностью человека.
Автоматизация, как высшая стадия механизации производства, освобождает человека не только от тяжелого физического труда, но и от напряженного умственного труда, связанного с процессом управления.
Цель автоматизации производства заключается в повышении эффективности труда, улучшении качества выпускаемой продукции, в создании условий для оптимального использования всех ресурсов производства, обеспечении безопасности и комфортности труда трудящихся, надежность работы оборудования.
Основными показателями технико-экономической эффективности автоматизации машин являются:
1) повышение производительности труда и как следствие увеличение выпуска продукции;
2) повышение качества продукции
3) снижение себестоимости продукции;
4) повышение надежности работы оборудования и как следствие уменьшение объемов планово-предупредительных 'ремонтов, увеличение межремонтных сроков службы оборудования н ликвидация аварийных ремонтов.
Этапы автоматизации
Автоматизация производства угольных шахт подразделяется на этапы – частичную (локальную), комплексную и полную. (Этапы- это условная классификация по охвату объекта средствами автоматизации).
При частичной автоматизации- автоматизированы отдельные машины и установки, участвующие в технологическом процессе. Устройства автоматизации не имеют связей и блокировок с другими технологическими процессами. Функции постоянно присутствующего оператора в этом случае заключаются в оценке состояния различных технологических звеньев, в определении времени подачи пускового импульса, а также в принятии решения после аварийного отключения установки или комплекса оборудования одним из устройств защиты аппаратуры автоматизации, Если автоматизируемая установка не требует постоянного присутствия обслуживающего персонала, то проводятся периодические проверки технического состояния оборудования и аппаратуры с последующими ремонтами и настройками.
По мере совершенствования средств автоматизации и расширения сферы их применения было установлено, что частичная автоматизация наиболее эффективна тогда, когда производственное оборудование разрабатывается сразу как автоматизированное. К частичной автоматизации производства относится также автоматизация управленческих работ.
Комплексная автоматизация предусматривает введение общей системы управления и контроля для отдельно замкнутого технологического процесса. Например, процесса угледобычи от выемки в очистном забое до погрузки в бункер магистральной конвейерной линии. В этом случае операторы отдельных комплексов оборудования на очистном участке, внутришахтном транспорте, а также общешахтный диспетчер наблюдают за ходом технологических процессов, анализируют состояние и принимают решения по необходимым согласованиям режимов работы взаимосвязанных технологических установок и комплексов оборудования.
Комплексная автоматизация производства целесообразна лишь при высокоразвитом производстве на базе совершенной технологии и прогрессивных методов управления с применением надёжного производственного оборудования, действующего по заданной или самоорганизующейся программе, функции человека при этом ограничиваются общим контролем и управлением работой комплекса.
Полная автоматизация производства - высшая ступень автоматизации, которая предусматривает передачу всех функций управления и контроля комплексно-автоматизированным производством автоматическим системам управления. При этом автоматизируется как технологический процесс, так и оперативное управление производством. Вся информация о ходе технологических процессов на шахте поступает в управляющую вычислительную машину по каналам телемеханики (или по каналам передачи данных в случае применения микроконтроллеров), где она анализируется по заданным программам. Управляющие команды от ЭВМ поступают либо непосредственно в локальные системы автоматизации для поддержания оптимальных режимов работы отдельных установок и технологических комплексов, либо обработанная машинная информация используется руководящим персоналом для согласования и обеспечения ритмичной высокопроизводительной работы различных технологических участков шахты. Полная автоматизация проводится тогда, когда автоматизируемое производство рентабельно, устойчиво, его режимы практически неизменны, а возможные отклонения заранее могут быть учтены, а также в условиях недоступных или опасных для жизни и здоровья человека.
Понятие управления
Управлением в общем случае называют всякое целенаправленное воздействие, оказываемое на какой-либо объект с целью изменения его качественного состояния (например, включение, реверсирование, отключение).
Управление, при котором изменяется количественное состояние объекта путем изменения или стабилизации одного или нескольких параметров режима работы называется регулированием.
На рисунке 1 приведена структурная схема операций процесса управления.
 |
Рисунок 1 - Структурная схема операций процесса управления
В общем случае процесс управления можно представить как последовательное выполнение следующих четырех основных действий, направленных на достижение некоторой цели:
получение информации о состоянии объекта;
передача информации от объекта автоматизации к устройству управления;
переработка полученной информации и принятие решения, т. е. формирование сигнала управления;
исполнение решения, т.е. реализация управляющего воздействия, соответствующего выработанному сигналу управления.
Указанные действия выполняются с помощью технических средств автоматизации при участии или без участия человека.
Соответственно для управления необходимо иметь технические средства автоматизации следующих видов.
1) Средства автоматического отбора информации - технологическими датчиками, контролирующие: режимные параметры (мощность, нагрузку, производительность, скорость, давление, машинное время, простои и др.); положение и перемещение рабочих органов; пространственное взаиморасположение машин, реализующих в совокупности технологический процесс; последовательность работы и перемещений машин, реализующих технологический процесс (выполнение цикла функционирования совокупности машин). Датчики осуществляющее преобразование контролируемого параметра в выходной сигнал, удобный для ввода его в систему управления или для дистанционной передачи
2) Средства передачи информации – средствами телемеханического проводного канала или радиоканала для обмена кодовой информацией с устройствами обработки информации; средствами оперативно-речевой телефонной или громкоговорящей связи, например каналов оператор машины— диспетчер шахты; каналов аварийной телефонной и громкоговорящей связи; каналов специальной технологической телефонной связи, например, связи машиниста комбайна с погрузочным пунктом лавы, связи по трассе конвейерной линии и т. п.
3) Средства обработки информации и выработки управляющих и других команд.
4) Средства автоматической защиты, например, технологическая защита, электрическая защита (от перегрузок, недопустимого падения напряжения и др.).
5) Средства автоматической блокировки — аварийные, предупреждающие переход машины или отдельных ее частей за допустимые «крайние положения», и технологические — с предшествующими и последующими по технологии работы автоматизированными машинами.
6) Средства автоматической технической диагностики.
7) Средства автоматической сигнализации о состоянии и положении важнейших органов машины, нарушениях заданного режима работы и его восстановлении, аварийных ситуациях, нахождении машины определенном нагрузочном режиме (работа, холостойход, останов и т. д.), об изменениях контролируемых режимных параметров — нагрузочных, скоростных и других, положении и перемещении рабочих органов и т. д. Возможна сигнализация следующих видов: аварийная, предупредительная и рабочая сигнализация.
8) Средства управления работой машины, в том числе средствами дистанционного изменения уставок регуляторов. В необходимых случаях, особенно для очистных работ средства дистанционно управления с пульта одной машины имеют средства для управления другими машинами, объединяемыми общностью технологического процесса (например, в аппаратуре САУК. 02М – на пульте управления комбайном имеются органы управления забойным конвейером).
9) Исполнительные устройства, реализующие команды управления.
10) Средства автоматического регулирования пара метров (производительности, нагрузки, скорости рабочих органов, мощности и др.).
Критерии управления
Всякое управление имеет цель. Цель управления может быть только одна. Нельзя произвести одновременно наилучшую и самую дешевую продукцию. Можно искать либо наилучшую продукцию за данную цену, либо самую дешевую продукцию определенного качества.
Степень достижения поставленных целей в любой системе принято характеризовать с помощью критерия управления. Критерий управления – это соотношение, характеризующее качество функционирования технологического объекта управления в целом и принимающее конкретные числовые значения в зависимости от используемых управляющих воздействий. Критерием может быть технико-экономический показатель, например себестоимость продукции при заданном качестве, производительность технологического объекта управления при заданном качестве выходной продукции, технологические показатели, например параметры технологического процесса, характеристики выходного продукта и т. п. Критерии управления могут быть выгоды или убытков.
Управление должно быть оптимальным в соответствии с критерием управления. Математическая модель при этом выглядит следующим образом:
необходимо определить значения вектора переменных x = (x1,x2,…, xn), которые удовлетворяют ограничениям вида
g i (x1,x2,…, xn) bi, для всех i = 1,…, m
и доставляют максимум или минимум целевой функции
f (x1,x2,…, xn) → max (min).
Виды управления
Управление технологичесими машинами и установками может быть местным (или ручным), автоматизированным или автоматическим.
Местное (ручное) управление машиной осуществляется оператором непосредственно у местаих установки с помощью таких простейших аппаратов, как ручные пускатели, контроллеры и выключатели. Используется в основном при монтажных и наладочных работах.
Автоматическое управление это управление без участия человека. Автоматическое управление обеспечивает заданный режим работы машины или установки с помощью аппаратуры, исключающей постоянное присутствие обслуживающего персонала, в функции которого входят только периодические ревизии и наладки оборудования и аппаратуры. Например, насосные агрегаты водоотливных установок включаются и отключаются в зависимости от уровня воды в водосборнике.
Автоматизированное управление это управление при участии человека. Приавтоматизированном управлении подача управляющего сигнала осуществляется оператором, а необходимая последовательность операций, предусмотренных технологическим режимом производственного процесса, осуществляется средствами автоматизации. Автоматизированное управление может быть дистанционным, телемеханическим или централизованным.
При дистанционном управлении оператор, находясь на некотором расстоянии, не превышающем нескольких сотен метров, от электропривода, осуществляет включение, реверсирование и останов механизма или установки. При этом управляемый объект чаще всего находится в поле зрения оператора, а пульт управления располагается в месте, удобном для управления. Например, с кнопочного поста, расположенного на посте абонентском лавы осуществляется включение или отключение магнитного пускателя электропривода комбайна, расположенного на энергопоезде добычного участка.
Также при управлении конвейерами возможно:
- дистанционное управление линейным конвейером - управление любым линейным конвейером с выносного кнопочного поста, расположенного вблизи приводной части конвейера;
- дистанционное управление концевым конвейером - управление с выносного кнопочного моста, расположенного под лавой в концевой части последнего конвейера, с блокировкой, исключающей возможность включения концевого конвейера при неработающем предыдущем и обеспечением отключения концевого при остановке предыдущего конвейера, работающего в режиме автоматизированного управления.
При дистанционном управлении возможно применение проводной линии передачи команд или беспроводная (предпочтительно).
Телемеханическое управление, являясь дальнейшим развитием и совершенствованием дистанционного управления, обеспечивает передачу команд на значительно большие расстояния по меньшему количеству жил кабелей, чем при дистанционном управлении. При этом используются специальные способы кодирования информации и технические средства обработки и передачи информации.
На рисунке 2 приведена структурная схема технических средств системы телемеханики. Система двухуровневая. На верхнем уровне находится Пункт Управления (ПУ), который подключается к автоматизированному рабочему месту диспетчера (АРМ) с ЭВМ и щиту с мнемосхемой (мнемощит).
АРМ представляет собой персональный компьютер. Как правило, АРМ снабжается широкоэкранным монитором, функциональной клавиатурой и необходимыми сетевыми адаптерами для подключения к сетям верхнего уровня (например, на базе Industrial Ethernet). Компьютер оператора отличается от офисных компьютеров, прежде всего, своим промышленным исполнением и эксплуатационными характеристиками.
Мнемосхема – наглядное графическое изображение технологической установки или технологического процесса, интегрированное со средствами контроля и управления. Она является важнейшим источником информации о характере и структуре связей, текущем состоянии переменных (в том числе связанных с нарушением технологических режимов, авариями и т. п.) и позволяет оператору-технологу или диспетчеру:
- облегчить запоминание хода технологического процесса и назначения устройств и органов управления;
- определить способы действия при различных режимах работы объекта;
- способствовать упрощению поиска и опознания нужной информации для оперативного принятия правильных решений.
На нижнем уровне расоложены Пункты контроля (КП) (один или несколько), к которым подключаются датчики, преобразователи и различные устройства контроля и управления. Взаимодействие между ПУ и КП происходит по каналу связи. Это может быть кабельная линия, оптоволокно, выделенный телефонный канал, радиоканал и т.п. При подключении к одному каналу связи нескольких КП каждый из них должен иметь уникальный номер. Данные между ПУ и КП передают короткими массивами, которые называют кадрами, фреймами, посылками. Посылки вместе с данными содержат адресную часть и проверочный код для выявления искажений в процессе передачи. Адрес должен однозначно идентифицировать измеряемый параметр в рамках всей ситемы. Для защиты данных обычно используют один из вариантов подсчета контрольной суммы.
Рисунок 2 - Структурная схема технических средств системы телемеханики
Способ кодирования данных и порядок обмена посылками обычно называют протоколом обмена. Одним из основных требований при выборе протокола является его надежность, т.е. способность передавать данные без искажений и возможность повторной передачи в случае сбоя.
Датчиками могут быть простые двухпозиционные переключатели, состояние которых изменяется при изменении состояния объекта (включен / выключен, норма / авария и т.п.). Например, контроллер пункта КП следит за состоянием датчиков состояния объекта и при изменении хотя бы одного из них передает на пункт ПУ посылку, которую называют телесигналом (ТС). Контроллер пункта ПУ, получив сигнал ТС, передает его на ЭВМ и контроллер мнемощита. Программа на ЭВМ изменяет состояние изображения контролируемого объекта на схеме дисплея ЭВМ и предупреждает диспетчера звуковым сигналом. Контроллер мнемощита зажигает на щите соответствующий индикатор.
Для количественной оценки состояния параметров объекта применяют датчики, которые преобразуют текущие значения физических параметров (температура, давление, напряжение, ток) в нормированные электрические сигналы. Контроллер пункта КП передает их значения на пункт ПУ в цифровом виде в посылках телеизмерений (ТИ). Аналогично сигналам ТС, сигналы ТИ поступают на ЭВМ и мнемощит для отображения. ЭВМ может отслеживать уровни приходящих измерений и сигнализировать, например, о превышении критического порога (уставки).
При необходимости вмешательства в ход контролируемого процесса оператор посредством ЭВМ выдает в систему команду телеуправления (ТУ). C ЭВМ команда поступает на контроллер пункта ПУ, который передает его соответствующему пункту КП. Контроллер пункта КП при получении команды проверяет ее достоверность, выдает электрический сигнал для включения исполнительного механизма (например, электродвигателя), передает на пункт ПУ сигнал о выполнении команды. Команды ТУ обычно двухпозиционные: ТУ «Включить» и ТУ «Отключить».
Современные контроллеры КП могут получать информацию не только с датчиков и преобразователей, но и с различных микропроцессорных устройств, например, приборов учета, токовых защит. Для стыковки с такими устройствами применяют один из локальных интерфейсов, например, RS-485. Информационный обмен идет с использованием одного из совместимых протоколов, например, Modbus.
В современной системе телемеханики большое внимание уделяется программному обеспечению системы и интеграции с действующими системами и программными комплексами. Стандартом стало графическое представление схем контролируемого процесса (мнемосхем) с "живым" отображением текущего состояния, управление объектом с кадров мнемосхем.
В программном обеспечении наблюдается тенденция к стандартизации программных интерфейсов систем сбора данных и обрабатывающих программ (технология OPC), возрастает потребность экспорта собранных данных в специализированные программы (расчета режимов, планирования, аналитические, АРМ специалистов). В условиях усложнения систем повышается роль средств диагностики и отладки.
С технической стороны в системах всё чаще используются современные скоростные каналы связи (оптоволокно, Ethernet) и беспроводные технологии (например, транкинговая и сотовая связь). Вместе с тем сохраняется потребность стыковки с морально (а иногда и физически) устаревшими "унаследованными" системами, с сохранением их протоколов связи. На контролируемых объектах всё чаще возникает необходимость стыковки с локальными технологическими системами.
Наряду с усложнением самих систем и их программного обеспечения наблюдается изменение требований к реализуемым функциям. К традиционным функциям телемеханики (телесигнализация, телеизмерение, телеуправление) добавляются функции энергоучета, транспорта данных с локальных автоматических приборов. К обычным функциям контроля за изменением состояния и превышения предельных значений добавляются возможности текущих расчетов и логического анализа (например, балансные расчеты).
Централизованное управление дает возможность оператору или диспетчеру управлять машинами и установками технологического комплекса предприятия, не находящимися в его поле зрения с центрального пункта управления
Например, для конвейерных линий централизованное управление заключается в последовательном пуске с пульта управления конвейеров линии в направлении обратном движению грузопотока с контролем момента запуска каждого последующего конвейера в зависимости от скорости предыдущего и останов конвейерной линии путем отключения всех или части работающих конвейеров.
Также, централизованное управление применяется также при управлении производственным процессом шахты с пульта диспетчерского управления.
Задачи управления технологическими машинами и установками
В развитии техники производства все больше появляется машин, которые в принципе не могут быть не автоматизированными, так как по сложности управления такие машин выходят за пределы возможностей человека. (например, угольные комбайны при скорости перемещения более 3 м/мин, высокопроизводительные конвейеры с большими скоростями движения ленты и др.) Другими словами можно сказать, что в машинах существует качественный рубеж (определенная величина рабочих параметров — скорости, производительности, линейных размеров и т.п.), перейдя который, нельзя работать на неавтоматизированной машине (имеется в виду обеспечение эффективной, безаварийной и безопасной для трудящихся работы
Основными обобщенными задачами управления технологическими машинами и установками можно считать:
1) осуществление включения, отключения, реверсированиея и другие операции по управлению оборудованием без участия человека;
2) контроль за технологическими режимами и учет работы автоматизированной машины или установки;
3) автоматическая сигнализация оповещения персонала о выполнении соответствующих операций по управлению оборудованием, о возникновении опасных рабочих режимов и аварийном отключении оборудования;
4) автоматическое регулирование, осуществляющее изменение выходных параметров машин и механизмов по заданному закону в соответствии с требованиями к протеканию технологического процесса;
5) автоматическая защита, предохраняющая оборудование от повреждений и отключение аварийных участков технологического процесса [защита от коротких замыканий в электросети, от переподъема и превышения скорости подъемных сосудов, от обрыва лент (цепи) конвейера и т. п.];
6) автоматическая блокировка, предохраняющая оборудование и обслуживающий персонал от неправильных действий как оператора, так и системы управления