При создании АСУТП учитывались следующие концепции автоматизации:
1. Концепция централизации управления;
2. Концепция автоматизации регулирования;
3. Концепция усложнения закона регулирования;
4. Концепция усложнения схемы регулирования;
5. Концепция усовершенствования интерфейса оператора;
6. Концепция использования математической модели для управления ТП;
7. Концепция применения вычислительной техники (ВТ) для управления ТП.
Важная особенность, которая привела к созданию АСУТП как единой, связанной системы управления - это взаимосвязь отдельных участков ТП по продукту, что должно учитываться в виде взаимосвязанного управления.
Концепция централизации управления при помощи средств дистанционного контроля и регулирования и локальных приборов.
Исторические шаги в развитии этой концепции автоматизации можно проиллюстрировать следующим рисунком (рис. 2).
Рис. 2. Исторические шаги в централизации управления
1, 2, 3 - технологические аппараты;
К - приборы контроля;
РО - регулирующий орган с ручным приводом;
ИМ - исполнительный механизм;
ДУ - приборы (средства) дистанционного управления;
ДК - приборы (средства) дистанционного контроля;
Первым шагом усовершенствования системы управления была централизация контроля при сохранении ручного управления, которая пришла на смену приборам местного контроля и управления (при многоаппаратном ТП за каждым аппаратом при ограниченном количестве контрольно-измерительных приборов закрепляется один аппаратчик).
Для того, чтобы осуществить те же функции персонала централизовано из пункта управления потребовалось введение дистанционных передач как для аппаратов контроля, так и для сигналов управления. Сосредоточение средств контроля и управления в одном помещении дает возможность представить целостную картину ТП и оперативно координировать ход процесса в отдельных аппаратах путем взаимозависимого воздействия на соответствующие участки ТП. При этом возможно сократить определенное количество оперативного персонала.
В последнем случае смысл «К» изменился - это уже не приборы, а первичные преобразователи (датчики).
Системными признаками такого шага автоматизации является единство энергопитания и территориальное объединение средств взаимодействия процесса с технологическим персоналом.
Основные достоинства такого шага автоматизации:
- возможность интенсификации ТП за счет централизации управления (можно увеличивать количество аппаратов в цепи, увеличивать нагрузку по сырью);
- улучшаются эргономические характеристики взаимодействия персонала и ТП, т.е. удобство управления;
- резко снижается влияние вредных факторов производства и уменьшается опасность травм.
Недостатки:
- резко возрастает стоимость приборного парка по сравнению с системами местного контроля;
- необходимы дополнительные капитальные затраты на строительство помещений для операторной;
- необходима организация системы энергопитания;
- снижается надежность средств автоматики в целом;
- ухудшаются метрологические характеристики приборов в тракт контроля;
- приборы в операторной становятся сложнее всвязи с введением в них узлов дистанционной передачи;
- следует организовать прокладку линий связи;
- усложняется обслуживание всей аппаратуры и необходимо использовать более высококвалифицированный обслуживающий персонал.
Концепция автоматизации регулирования
Централизация и управление при ручном ведении процесса не дает возможности существенно интенсифицировать ТП, т.к. при необходимости сосредоточения большого количества технологических параметров и учета взаимодействия между ними, сложность управления возрастает весьма быстро (рис. 3).
Рис. 3. Зависимость сложности управления ТП от числа технологических параметров.
Sупр - сложность управления;
n - число параметров.
В этих условиях оператор не в силах обеспечить высокое качество управления, поэтому концепция, которая в состоянии привести к улучшению качества управления - концепция автоматизации регулирования: формирование управляющих воздействий должно быть автоматизировано.
Если за основу взять структуру централизованного ручного управления, то подразумевается, что в контур управления должен быть введен регулятор (рис.4).
Рис. 4. Автоматизированное управление ТП.
Рег - регулятор.
Достоинство такого шага автоматизации - улучшается качество управления отдельными технологическими переменными, психологически разгружается оператор, т.к. «доверяя» автоматическим регуляторам, он может не следить столь внимательно за большим числом технологических переменных.
Недостатки: усложнение системы автоматизации; рост количества приборов; усложнение обслуживания, удорожание КТС.
Концепция усложнения закона регулирования
В качестве регулятора может быть использован тот или иной тип регулятора: позиционный, П-регулятор, ПИ-регулятор или регулятор ПИД типа.
А. Наиболее прост позиционный регулятор при двухпозиционном законе регулирования (рис. 5). Регулирующий орган (РО) может занимать только два положения: открыто или закрыто. Если зона нечувствительности отсутствует, то параметров регулирования не имеется (n = 0).
Рис. 5. Закон регулирования двухпозиционного регулятора.
Недостаток двухпозиционного регулирования в том, что он не может обеспечить статическое состояние регулируемой величины и при увеличении диапазона возмущающих воздействий требует увеличения диапазона регулирующих воздействий (хр max - хр min), что приводит к улучшению качества стабилизации в установившемся режиме.
Достоинства двухпозиционного регулятора: простота технической реализации (устройство типа реле); отсутствие специальных настроек.
Б. Если в позиционном регуляторе ввести зону пропорциональности d, то РО сможет занимать промежуточное положение между хр max и хр min (рис. 6).
Рис. 6. Закон регулирования пропорционального регулятора.
При наличии зоны пропорциональности величина хр линейно зависит от величины хвых, поданной на вход регулятора, т.к. известно соотношение:
xр(t) = xвых(t); = КП;
Подобный регулятор получил название П-регулятора и для него характерно, что он может обеспечить статическое положение РО и вместе с тем - постоянство во времени значения регулируемой величины объекта.
Однако для П-регулятора характерно, что статическая ошибка отсутствует только при номинальном значении нагрузки; при отклонении нагрузки от номинального значения для удержания регулируемой величины на заданном уровне необходимо изменить значение регулирующего воздействия относительно номинального значения согласно регулировочной характеристике - это приводит к статической ошибке.
П-регулятор имеет один параметр настройки (n = 1).
По устройству он более сложен, чем позиционный, требует настройки на процесс; при уменьшении d уменьшается статическая ошибка, но снижается устойчивость системы. Регулятор стал сложнее, но дает больше возможностей для улучшения качества регулирования.
В. Если для ведения ТП величина статической ошибки имеет важное значение (она нежелательна), то применяют более сложный закон регулирования - ПИ‑регулятор.
Его закон регулирования:
xр(t) = xвых(t) +;
Регулятор имеет две настройки: величина d и ТИ (n = 2).
Для этого регулятора имеет место: хр(t) = const при хвых(t) = 0, т.е. в статическом состоянии РО всегда занимает положение, соответствующее отсутствию ошибки регулирования.
ПИ-регулятор сложнее, чем П-регулятор и более трудоемкий в настройке на процесс, но он обеспечивает регулирование объекта без статической ошибки с удовлетворительной устойчивостью.
Г. Следующим более сложным регулятором является ПИД-регулятор, имеющий следующий закон регулирования:
xр(t) = ТД + xвых(t) +;
Имеет три настройки: ТД - время дифференцирования (предварения); d - степень пропорциональности, ТИ - время изодрома (интегрирования) (n = 3).
Основная практическая ценность ПИД-регуляторов состоит в том, что они реагируют на скорость изменения выходной (регулируемой) величины объекта, выдавая регулирующее воздействие раньше, чем регулируемая величина примет новое установившееся значение, а это позволяет «упредить» колебания в системе регулирования и сделать ее работу более регулирования.
По сравнению с предыдущими регуляторами ПИД-регулятор обеспечивает наиболее удовлетворительное качество регулирования, но он сложнее в настройке, сложнее по устройству, дороже, сложнее в обслуживании и ремонте.
Т.о. при усложнении закона регулирования размерность вектора параметров настройки (количество) возрастает. При таком увеличении улучшается качество стабилизации выходной величины объекта.
Вместе с тем усложняется конструкция регулятора, растет его стоимость, стоимость обслуживания и усложняется настройка на процесс.
Можно представить это в виде графика (рис. 7).
Рис.7. Зависимость качества регулирования и сложности настройки регуляторов от количества параметров настройки.
Q = f1(n) - зависимость качества регулирования от количества параметров настройки;
S = f2(n) - зависимость сложности настройки от количества параметров настройки;
Эти графики показывают, что при помощи регуляторов приборного или блочного типа достигнут предел обеспечения качества регулирования выходной параметров объектов.
Концепция усложнения схемы регулирования
Использование одноконтурных систем автоматизации во многих случаях не позволяет добиться высокого качества регулирования. Это связано с тем, что регулирование происходит по факту отклонения.
Особенность такого регулирования - при неблагоприятных динамических свойствах контура (большое t), регулирующее воздействие вырабатывается регулятором не сразу, а лишь по прошествии времени t.
В таком случае возможно улучшить качество регулирования за счет связанного (координированного) регулирования, которое позволяет вносить регулирующее воздействие своевременно или с упреждением, тем самым не дожидаясь пока появиться существенное отклонение от задания выходной технологической переменной.
К системам связанного регулирования в основном относятся каскадно-связанные системы автоматизации с различным количеством контуров.
В тоже время цена повышения качества регулирования - дополнительное количество средств автоматизации, количество линий связи между приборами, расширение номенклатуры технических средств, увеличение сложности настройки и запуска системы в работу.
Все сказанное можно проиллюстрировать с помощью графиков (рис. 8).
Рис.8. Зависимость качества регулирования и сложности схемы автоматизации от количества связываемых переменных.
Qр - качество регулирования;
Sс - сложность схемы.
На практике системы каскадно-связанного регулирования с n = 4 не используются.
Системные особенности концепции усложнения схемы регулирования:
- для построения сложных связанных схем регулирования необходимо обеспечить возможность совместимости приборов по информационным каналам;
- необходимо расширение номенклатуры средств автоматизации, разработка блоков с новыми функциями, назначением;
- в силу прямых информационных связей повышается вероятность отказа в системе и усложняется обнаружение источников отказа (не совсем так);
- возрастает сложность пуска и настройки системы на ТП.
Концепция совершенствования интерфейса оператора
По существу в АСУТП имеют место два контура управления ТП (рис. 9):
- контур автоматического управления (АУ), который замыкается между ТОУ и КТС;
- 
эргономический контур, который замыкается между КТС и ОТП.
Рис. 9. Место интерфейса оператора в структуре АСУТП.
Рассмотренными выше способами автоматизации, например, усложнением закона регулирования или усложнением схемы регулирования охватывается лишь контур автоматического управления.
Однако повышение насыщенности, мощности и гибкости средств автоматизации в контуре АУ влияет также и на эргономический контур, а именно: при повышении уровня автоматизации, как правило, производственники интенсифицируют технологические режимы, которые имеют место в ТОУ и/или подключают новые технологические участки к системе управления. В любом из этих случаев возрастает интенсивность информационного потока от объекта к оперативному персоналу (сенсорный поток).
В случае, если интенсифицируют режимы, проводимые в ТОУ, от персонала требуется большая жесткость контроля. А в случае, если в ТОУ наращивают количество участков, то увеличивается количество приборов, т.е. растет сенсорный поток и, как следствие, персоналу приходиться увеличивать и моторный поток, опять-таки за счет психологической нагрузки.
При возрастании сенсорного потока достигается предел объема информации, которая может быть переработана оператором.
До недавнего времени основным способом взаимодействия персонала с КТС заключался в последовательном анализе участков производства и отдельных контуров управления. Приборы располагались на щите по ходу ТП, поэтому было естественным расчленить операции по управлению ТП на отдельные участки. При этом такое расчленение было сделано и на щитах управления, когда за каждым участком щита закреплялся отдельный оператор, а координацию управления осуществлял старший оператор.
Для совершенствования системы управления (СУ) необходимо было изменить способ и средства взаимодействия ОТП с КТС и ТОУ, т.е. усовершенствовать интерфейс оператора.
Наиболее естественным направлением совершенствования интерфейса оператора является уплотнение информации.
Первое направление по свертыванию (редукции) информации - это использование принципа группового контроля, который может быть либо обегающим, либо вызывным. В первом случае каналы коммутируются автоматически и последовательно во времени, а во втором - каналы коммутируются по инициативе оператора (по вызову).
При использовании обегающего и вызывного контроля удается уменьшить количество приборов на щите управления и уменьшить размеры щита. При этом наблюдаемость становиться более высокой.
Другое направление в сжатии информации - конструктивное объединение (уплотнение) приборов индивидуального контроля. (в принципе, уже устаревает)
При разработке технических средств автоматизации и контроля пришли к принципу блочно-модульного конструирования, благодаря чему появилась возможность выполнять устройства контроля и регулирования из наборов типовых модулей.
Принцип блочно-модульного конструирования заключается в следующем. Самый низкий уровень составляют элементы, из которых собираются модули, выполняющие вполне определенные функции. Группа модулей образует блок. Блоки также выполняются для реализации вполне определенных функций. Блоки объединяются в стойки (шкафы) (рис. 10).
Рис. 10. Блочно-модульный принцип конструирования.
УУС - унифици-рованный уровень сопряжения
Системные признаки устройств централизованного контроля:
- высокий уровень информационных взаимосвязей между отдельными частями системы;
- унификация элементной базы приборов;
- конструктивное единство исполнения;
- функциональная ориентация отдельных блоков;
- завершенность интерфейса оператора как единого целого.
Недостатки систем централизованного контроля:
- сложность наблюдения за ТП в период массовых нарушений и при изменении технологического режима;
- требуется высокая квалификация обслуживающего персонала вследствие сложности обнаружения источников отказов системы, что связано с высокой плотностью монтажа;
- возможна массовая утеря информации при отказе одного элемента или блока, т.е. требуется повышенная надежность в процессе эксплуатации системы;
- снижается надежность выполнения отдельных функций.
Однако в системе функции отдельных блоков частично резервируют друг друга, поэтому «живучесть» системы управления в целом оказывается достаточно высокой.
Концепция использования математических моделей для управления ТП.
Основной проблемой централизованного управления является увеличение объема информации, циркулирующего как по контуру автоматического управления (ТОУ-КТС), так и по эргономическому контуру (КТС-ОТП). Это неминуемо происходит при усложнении задач управления.
Ограничение потока информации во внешнем контуре частично достигается средствами централизованного управления и за счет редукции информации. Во внутреннем контуре задача по переработке возросших объемов информации достигается использованием КТС с усложненными схемами регулирования (каскадная АСР и т.д.).
Целесообразно ограничить объем обработки информации средствами КТС, для чего структура ТОУ отображается алгоритмами управления с учетом ограниченного количества внутренних взаимосвязей в ТОУ, т.о. пришли к концепции использования математических моделей для управления ТП.
Сказанное можно проиллюстрировать с помощью следующего рисунка (рис. 11).
Рис. 11. Иллюстрация концепции применения математических моделей для управления ТП.
y1, y2 …yn - входные переменные;
х1, х2 …хm - выходные переменные;
х1зад, х2зад …хm зад - заданные значения выходных переменные;
u - управляющее воздействие (сигнал задания регулятору);
ВУ - вычислительное устройство;
Измеренные значения входных и выходных переменных и заданные значения выходных переменных требуется ввести в ВУ, выполняющее расчеты по математической модели. Полученное по математической модели значение управляющего воздействия (сигнал задания) подается на регулятор. Если закон вычисления управляющего воздействия отражает внутреннюю структуру объекта для достижения требуемого качества регулирования достаточно применения простой одноконтурной схемы регулирования.
Концепция применения ВТ для управления ТП
Все направления автоматизации, рассмотренные выше, требуют усложнения технических средств (ТС) для своего воплощения, однако возможности такого усложнения ограничены. Чтобы повысить гибкость системы автоматизации в условиях ограничения сложности ТС, необходимо создание в определенном смысле универсальных устройств по отношению к выполняемым функциям, т.е. схема и конструкция прибора не должны зависеть от выполняемой функции в переработке информации.
Устройство такого типа - процессор, который первоначально использовался лишь в средствах ВТ. Как известно, процессор - центральная часть ЭВМ и может выполнять фиксированный набор операций. Эти операции (команды). На практике любая выполняемая задача должна быть предварительно представлена последовательность команд (программой).
Процессоры в чистом виде используют лишь в составе микропроцессорных контроллеров, а в основном для управления сложными системами используют проблемно0ориентированные ЭВМ, где процессор - лишь ее часть.
ЭВМ, используемые в АСУТП, характеризуют по параметрам:
- быстродействие; связано со способностью «обрабатывать» каждую точку контроля;
- разрядность; определяет точность выполнения расчетов и реальное быстродействие;
- объем ОЗУ; определяет возможности размещения данных и результатов без обращения к ПЗУ и также влияет на быстродействие;
- операционная система (ОС); определяет способность ЭВМ работать в различных режимах обработки информации. Для АСУТП характерно использование режима реального времени, поэтому не каждая ОС годиться;
- вид интерфейса для сопряжения с внешней аппаратурой; обеспечивает возможность сопряжения ЭВМ с внешней аппаратурой.
Общая структура АСУТП
Современная система автоматизации с точки зрения её технологического использования условно представляет собой три взаимосвязанные части:
- компьютерную (контроллерную) сеть, которая заменяет регуляторы, схемы сигнализации, переключения, блокировки и кроме того запоминает историю процесса;
- набор средств для подключения компьютеров (контроллеров) сети к технологическим аппаратам;
- набор средств, как правило расположенных на пульте оператора, для взаимодействия контроллеров с аппаратчиками.
Компьютерная сеть означает связанность компьютеров (контроллеров) друг с другом. Для краткости ее могут называть ЛВС - локальной вычислительной сетью или локальной управляющей сетью
Средства подключения технологических аппаратов к контроллерам сети называют устройствами связи с объектом (УСО), а средства «подключения» к контроллерам аппаратчиков (и вообще, технологического персонала) - человеко-машинным интерфейсом (в латинской аббревиатуре MMI - Man Machine Interface, или HMI - Human Machine Interface).
Взаимодействие между собой трех частей АСУТП представлено на рис. 12. Реальная детализованная общая структура АСУТП несколько сложнее, но это несущественно для понимания технологических особенностей ее использования.
Порядок взаимодействия элементов и работы системы
С технологической точки зрения все элементы структуры системы работают одновременно, как и традиционные приборы автоматики. “Одновременно” выполняются функции регулирования по всем параметрам технологического режима, функции преобразования данных, регистрации и сигнализации.
На самом деле внутри контроллера идет поочередное выполнение каждого программного блока, а результаты его работы запоминаются и передаются на следующий срабатывающий блок или устройство. Но в отличие от механических подключений срабатывание программных блоков происходит так быстро, что новый цикл «подключений» начинается через 0.1 секунду или даже на несколько порядков меньше, так что оператору (аппаратчику) работа системы представляется одновременной.
Точно так же поочередно происходит подключение датчиков и исполнительных механизмов (ИМ) к соответствующим регуляторам в контроллере, подключение в MMI кода параметра к соответствующему ему в текущий момент времени экрану и подключение клавиатуры. Порядком этих подключений управляет специальная программа-диспетчер. Ее части находятся в разных контроллерах и взаимодействуют друг с другом по установленным правилам через линии связи сети.
Рис. 12 Общая структура АСУТП.