Классы структур АСУ.

КЛАССИФИКАЦИЯ АСУ

В зависимости от роли человека в процессе упра­вления, форм связи и функционирования звена «человек—машина», распределения информационных и управляющих функций между оператором и ЭВМ, между ЭВМ и средствами контроля и упра­вления все системы можно разделить на два класса.

1. Информационные системы, обеспечивающие сбор и выдачу в удобном для обозрения виде измерительную информацию о ходе технологического или производственного процесса. В результате соответствующих расчетов определяют, какие управляющие воз­действия следует произвести, чтобы управляемый процесс проте­кал наилучшим образом. Выработанная управляющая информа­ция служит рекомендацией оператору, причем основная роль принадлежит человеку, а машина играет вспомогательную роль, выдавая для него необходимую информацию.

Цель таких систем — получение оператором ин­формации с высокой достоверностью для эффективного принятия решений. Характерной особенностью для информационных систем является работа ЭВМ в разомкнутой схеме управления. Причем возможны информационные системы различного уровня: от про­стых, в которых данные о состоянии производственного процесса собирают вручную, до встроенных диалоговых систем высокого уровня.

Информационные системы должны, с одной стороны, предста­влять отчеты о нормальном ходе производственного процесса и, с другой стороны, информацию о ситуациях, вызванных лю­быми отклонениями от нормального процесса.

Различают два вида информационных систем: информационно-справочные (пассивные), которые поставляют информацию опе­ратору после его связи с системой по соответствующему запросу; информационно-советующие (активные), которые сами выдают абоненту предназначенную для него информацию периодически или через определенные промежутки времени.

В информационно-справочных системах (рис. 1.4) ЭВМ необ­ходима только для сбора и обработки информации об управляемом объекте. На основе информации, переработанной ЭВМ и предста­вленной в удобной для восприятия форме, оператор принимает решения относительно способа управления объектом. Параметры технологических процессов, измеренные датчиками, преобразу­ются в цифровую форму устройствами сопряжения и вводятся в ЭВМ. После обработки в ЭВМ оперативная информация о ходе протекания технологического процесса поступает на устройства отображения технологических параметров (статистическая инфор­мация, предназначенная для регистрации), а вычисленные эко­номические и технологические показатели печатаются в виде отчетов. Данные, которые в дальнейшем могут быть использованы в вычислениях, обычно фиксируются в памяти ЭВМ или на машинных носителях.

Системы сбора и обработки данных выполняют в основном те же функции, что и системы централизованного контроля и являются более высокой ступенью их организации. Отличия носят преимущественно качественный характер.

ЭВМ представляет широкие возможности для математической обработки данных (сравнение текущих значений параметров с их максимально и минимально доступными значениями, прогно­зирование характера изменения контролируемых параметров). На основе прогноза оператор имеет возможность так воздейство­вать на технологический процесс, чтобы не допустить существен­ного изменения параметров.

В математическое обеспечение ЭВМ входят библиотека рабо­чих программ, каждая из которых выполняет одну или несколько функций централизованного контроля, и программа-диспетчер. Программа-диспетчер по заранее определенному порядку или в зависимости от текущих значений технологических параметров выбирает для выполнения ту или иную рабочую программу.

Порядок выполнения рабочих программ может быть нарушен сигналом прерывания, который воспринимается и отрабатывается специальной подпрограммой программы-диспетчера. Сигнал пре­рывания может поступить от датчиков, установленных на техно­логическом оборудовании (аварийные остановки оборудования, резкое изменение состояния объекта управления), а также от оператора. Общение между оператором и ЭВМ ведется в режиме «запрос—ответ».

Системы сбора и обработки информации используют при управлении технологическими и производственными процессами, чаще всего в случаях, когда имеет место сложность процесса, не позволяющая удовлетворительно описать его функционирование математической моделью, формально поставить и решить задачу управления.

В информационно-советующих системах наряду со сбором и обработкой информации выполняются следующие функции: опре­деление рационального технологического режима функциониро­вания по отдельным технологическим параметрам процесса; определение управляющих воздействий по всем или отдельным управляемым параметрам процесса; определение значений (вели­чин) установок локальных регуляторов. Данные о технологических режимах и управляющих воздей­ствиях поступают через средства отображения информации в форме рекомендаций оператору. Принятие решения оператором осно­вывается на собственном понимании хода технологического про­цесса и опыта управления им. Схема системы советчика совпадает со схемой системы сбора и обработки информации.

Способы организации функционирования информационно-сове­тующей системы следующие: вычисление управляющих воздей­ствий производится при отклонениях параметров управляемого процесса от заданных технологических режимов, которые иниции­руются программой-диспетчером, содержащей подпрограмму ана­лиза состояния управляемого процесса; вычисление управляющих воздействий инициируется оператором в форме запроса, когда оператор имеет возможность ввести необходимые для расчета дополнительные данные, которые невозможно получить путем измерения параметров управляемого процесса или содержать в системе как справочные.

Эти системы применяют в тех случаях, когда требуется осто­рожный подход к решениям, выработанным формальными мето­дами. Это связано с неопределенностью в математическом описа­нии управляемого процесса: математическая модель недостаточно полно описывает технологический (производственный) процесс, так как учитывает лишь часть управляющих и управляемых параметров; математическая модель адекватна управляемому процессу лишь в узком интервале технологических параметров; критерии управления носят качественный характер и существенно изменяются в зависимости от большого числа внешних факторов.

Неопределенность описания может быть связана с недостаточ­ной изученностью технологического процесса или реализация адекватной модели потребует применения дорогостоящей ЭВМ.

При большом разнообразии и объеме дополнительных данных общение оператора с ЭВМ строится в форме диалога. Например, в алгоритм вычисления технологического режима включаются альтернативные точки, после которых процесс вычисления Может продолжаться по одному из нескольких альтернативных вариан­тов. Если логика алгоритма приводит процесс вычисления к опре­деленной точке, то расчет прерывается и оператору посылается запрос о сообщении дополнительной информации, на основе которой выбирается один из альтернативных путей продолжения расчета. ЭВМ играет в данном случае пассивную роль, связанную с обработкой большого количества информации и ее представле­нием в компактном виде, а функция принятия решений возла­гается на оператора.

Промежуточным классом между информационной и управля­ющей системами можно считать информационно-управляющую систему, которая предоставляет оператору достоверную инфор­мацию о прошлом, настоящем и будущем состоянии производства для эффективного выполнения своих функций в нужное время и в требуемой форме. Следовательно, кроме программ сбора и обработки производственной информации необходима реализация ряда дополнительных программ статистки, прогнозирования, моделирования, планирования и др.

2. Управляющие системы, обеспечивают наряду со сбором информации выдачу непосредственно команд исполните­лям или исполнительным механизмам. Управляющие системы работают обычно в реальном масштабе времени, т. е. в темпе технологических или производственных операций. В управля­ющих системах важнейшая роль принадлежит машине, а человек контролирует и решает наиболее сложные вопросы, которые по тем или иным причинам не могут решить вычислительные средства системы.

Адаптация к изменяющимся условиям управляе­мого процесса осуществляется за счет опробования различных вариантов не на самом процессе, а на его математической модели, хранящейся в памяти ЭВМ. Математическая модель позволяет с помощью ЭВМ получить достаточно полную картину процесса в целом. Разработка модели процесса требует значительных усилий, однако на основе модели можно выполнить расчеты, необходимые для определения управляющих воздействий. Без всестороннего понимания существа процесса и без его описания оптимальное управление невозможно.

Модель процесса, алгоритмы управления, измерения входных и выходных параметров и элементы управления в комбинации с техническими средствами АСУ образуют «строительные блоки» современных систем управления технологическими процессами.

По мере усложнения процессов даже самый квалифицирован­ный оператор перестает справляться с задачами управления. Другой недостаток управления, осуществляемого» человеком - оператором, заключается в его неспособности обеспечить непре­рывность управляющего воздействия. Кроме того, при нескольких контурах управления оператор должен принимать решение по управлению к воздействию их между собой.

Управляющая система осуществляет функции управления по определенным программам, заранее предусматривающим дей­ствия, которые должны быть предприняты в той или иной произ­водственной ситуации. За человеком остается общий контроль и вмешательство в тех случаях, когда возникают непредвиденные алгоритмами управления обстоятельства. Управляющие системы имеют несколько разновидностей.

Супервизорные системы управления. АСУ, функционирующая в режиме супервизорного управления (супервизор — управля­ющая программа или комплекс программ), предназначена для организации многопрограммного режима работы ЭВМ и пред­ставляет собой двухуровневую иерархическую систему, обла­дающую широкими возможностями и повышенной надежностью.

Управляющая программа определяет очередность выполнения программ и подпрограмм и руководит загрузкой устройств ЭВМ.

В супервизорной системе управления (рис. 1.5) часть параме­тров управляемого процесса и логико-командного управления управляется локальными автоматическими регуляторами АР, а ЭВМ, обрабатывая измерительную информацию, рассчитывает и устанавливает оптимальные настройки этих регуляторов.

Осталь­ной частью параметров управляет ЭВМ в режиме прямого цифро­вого управления. Входной информацией являются значения неко­торых управляемых параметров, измеряемых датчиками Д_у локальных регуляторов; контролируемые параметры состояния управляемого процесса, измеряемые датчиками Дк.

Нижний уровень, непосредственно связанный с технологическим процессом, образует локальные регуляторы отдельных технологических, параметров.

По данным, поступающим от дат­чиков Ду и Дк через устройство связи с объектом, ЭВМ выраба­тывает значения уставок в виде сигналов, поступающих непосред­ственно на входы систем автоматического регулирования.

Основная задача супервизорного управления — автоматиче­ское поддержание управляемого процесса вблизи оптимальной рабочей точки. Кроме того, оператор с пульта управления имеет возможность вводить дополнительную информацию (коррекция уставок, параметров алгоритмов регулирования, уточнение кри­терия управления в зависимости от внешних факторов и др.). Супервизорный режим позволяет не только автоматически кон­тролировать процесс, но и автоматически управлять им вблизи оптимальной рабочей точки. Функции оператора сводятся к на­блюдению за технологическим процессом и в случае необходимо­сти к корректировке цели управления и ограничений на перемен­ные. При подобном построении системы управлений повышается надежность системы, так как ее работоспособность сохраняется и при отказах в работе ЭВМ, в то же время появляется практиче­ская возможность реализации более эффективных алгоритмов оптимизации, требующих большого объема вычислений.

Системы прямого цифрового управления. ЭВМ непосредственно вырабатывает оптимальные управляющие воздействия и с помощью соответствующих преобразователей передает команды управле­ния на исполнительные механизмы (рис. 1.6.). Режим непосред­ственного цифрового управления позволяет исключить локальные регуляторы с задаваемой уставкой; применять более эффективные принципы регулирования и управления и выбирать их оптималь­ный вариант; реализовать оптимизирующие функции и адаптацию к изменению внешней среды и переменным параметрам объекта управления; снизить расходы на техническое обслуживание и уни­фицировать средства контроля и управления. Этот принцип управления применяют в стан­ках с ЧПУ.

Оператор должен иметь воз­можность изменять уставки, контролировать выходные пара­метры процесса, варьировать диапазоны допустимого измене­ния переменных, изменять па­раметры настройки, иметь дос­туп к управляющей программе. В подобных системах упроща­ется реализация режимов пуска и останова процессов, переклю­чение с ручного управления на автоматическое, операции переключения исполнительных механиз­мов. Основной недостаток подобных систем заключается в том, что надежность всего комплекса определяется надежностью устройств связи с объектом и ЭВМ, и при выходе из строя объект теряет уп­равление, что приводит к аварии. Выходом на этого положения яв­ляется организация резервирования ЭВМ, замена одной ЭВМ системой машин и др.

Классы структур АСУ.

В сфере промышленного производства с позиций управления можно выделить следующие основные классы струк­тур систем управления: децентрализованную, централизованную, централизованную рассредоточенную и иерархическую.

Децентрализованная структура (рис1.7). Построение си­стемы с такой структурой эффективно при автоматизации техно­логически независимых объектов управления по материальным, энергетическим, информационным и другим ресурсам. Такая система представляет собой совокупность нескольких независи­мых систем со своей информационной и алгоритмической базой.

Для выработки управляющего воздействия на каждый объект управления необходима инфор­мация о состоянии только этого объекта.

Централизованная структура (рис. 1.8.) осуществляет реа­лизацию всех процессов уп­равления объектами в едином органе управления, который осуществляет сбор и обработку информации об управляемых объектах и на основе их анали­за в соответствии с критериями системы вырабатывает управ­ляющие сигналы. Появление этого класса структур связано с увеличением числа контроли­руемых, регулируемых и уп­равляемых параметров и, как правило, с территориальной рассредоточенностью объекта управления.

Достоинствами централизованной структуры являются доста­точно простая реализация процессов информационного взаимодей­ствия; принципиальная возможность/ оптимального управления системой в целом; достаточно легкая коррекция оперативно 'Изменяемых входных параметров; возможность достижения макси­мальной эксплуатационной эффективности при минимальной избы­точности технических средств управления.

Недостатки централизованной структуры следующие; необхо­димость высокой надежности и производительности технических средств управления для достижения приемлемого качества упра­вления; высокая суммарная протяженность каналов связи при наличии территориальной рассредоточенности объектов упра­вления.

Централизованная рассредоточенная структура (рис. 1.9.). .Основная особенность данной структуры — сохранение принципа централизованного управления, т. е. выработка управляющих воздействий на каждый объект управления на основе информации о состояниях всей совокупности объектов управления. Некоторые функциональные устройства системы управления являются об­щими для всех каналов системы и с помощью коммутаторов под­ключаются к индивидуальным устройствам канала, образуя замкнутый контур управления.

Алгоритм управления в этом случае состоит из совокупности взаимосвязанных алгоритмов управления объектами, которые реализуются совокупностью взаимно связанных органов упра­вления. В процессе функционирования каждый управляющий орган производит прием и обработку соответствующей

информа­ции, а также выдачу управляющих сигналов на подчиненные объекты. Для реализации функций управления каждый локаль­ный орган по мере необходимости вступает в процесс информа­ционного взаимодействия с другими органами управления. Достоинства такой структуры: снижение требований к производи­тельности и надежности каждого центра обработки и управления без ущерба для качества управления; снижение суммарной про­тяженности каналов связи.

Недостатки системы в следующем: усложнение информацион­ных процессов в системе управления из-за необходимости обмена данными между центрами обработки и управления, а также корректировка хранимой информации; избыточность технических средств, предназначенных для обработки информации; сложность синхронизации процессов обмена информацией.

Иерархическая структура (рис. 1.10). С ростом числа задач у в давления в сложных системах значительно увеличивается объем переработанной информации и повышается сложность алгоритмов управления. В результате осуществлять управление централизо­ванно невозможно, так как имеет место несоответствие между сложностью управляемого объекта и способностью любого упра­вляющего органа получать и перерабатывать информацию.

Кроме того, в таких системах можно выделить следующие группы задач,

каждая из которых характеризуется соответству­ющими требованиями по времени реакции на события, происхо­дящие в управляемом процессе: задачи сбора данных с объекта управления, и прямого цифрового управления (время реакции – секунды, доли секунды); задачи экстремального управления, связанные с расчётами желаемых параметров управляемого процесса и требуемых значений уставок регуляторов, с логиче­скими задачами пуска и остановки агрегатов и др. (время реак­ции — секунды, минуты); задачи оптимизации и адаптивного управления процессами, технико-экономические задачи (время реакции — несколько секунд); информационные задачи для адми­нистративного управления, задачи диспетчеризации и координа­ции в масштабах цеха, предприятия, задачи планирования и др.(время реакции — часы).

Очевидно, что иерархия задач управления приводит к необхо­димости создания иерархической системы средств управления. Такое разделение, позволяя справиться с информационными трудностями для каждого местного органа управления, порождает необходимость согласования принимаемых этими органами решений, т. е. создания над ними нового, управляющего органа. На каждом уровне должно быть обеспечено максимальное соот­ветствие характеристик технических средств заданному классу задач.

Кроме того, многие производственные системы имеют соб­ственную иерархию, возникающую под влиянием объективных тенденций научно-технического прогресса, — концентрации и спе­циализации производства, способствующих повышению эффективности общественного производства. Чаще всего иерархическая структура объекта управления не совпадает с иерархией системы управления, Следовательно, по мере роста сложности систем выстраивается иерархическая пирамида управления. Управляе­мые процессы в сложном объекте управления требуют своевремен­ного формирования правильных решений, которые приводили бы к поставленным целям, принимались бы своевременно, были бы взаимно согласованы. Каждое такое решение требует постановки соответствующей задачи управления. Их совокупность образует иерархию задач управления, которая в ряде случаев значительно сложнее иерархии объекта управления.

В многоуровневой иерархической системе управления выде­ляют обычно три уровня. Например, в системе управления гибкой производственной системой (ГПС) можно выделить следующие уровни управления: уровень управления работой оборудования и технологическими процессами; уровень оперативного управле­ния ходом производственного процесса в ГПС; уровень планиро­вания работы ГПС.

В функции нижнего уровня управления входят сбор и обра­ботка информации и непосредственное управление технологическими процессами и работой оборудования с учетом команд, поступающих от вышестоящего уровня; фиксация времени про­стоя оборудования с учетом причин простоя; контроль за состоя­нием режущего инструмента и учёт его использования; учет числа обработанных деталей; передача информации и уровень оператив­ного управления ГПС.

Функциями уровня оперативного управления ходом производ­ственного процесса в ГПС являются следующие: анализ наличия ресурсов для выполнения сформированных заданий на шаге управления; оперативная корректировка режимов отдельных технологических процессов и выдача коррекции на технические устройства низшего уровня; контроль качества изделий; прием и систематизация информации от управляющих устройств низшего уровня; координация работы всех элементов ГПС в соответствии с полученным заданием; передача информации в верхний уровень управления.

Функциями уровня планирования работы ГПС являются: решение комплекса задач, связанных с формированием ежемесяч­ных графиков загрузки оборудования ГПС; решение комплекса задач, связанных с управлением и контролем за работой уровня оперативного управления ГПС; управление библиотекой управ­ляющих программ для оборудования ГПС; сбор, обработка и выдача информации о ходе производственного процесса в ГПС.

Функции управления могут быть распределены между уров­нями и по-другому. Однако, как правило, для всех иерархических систем характерно, что по мере продвижения от нижних уровней «к верхним информация о состоянии технологического объекта обобщается, а управляющие воздействия относятся к более круп­ным частям технологического или производственного процесса. ⁷ Для сложных процессов на крупных производственных ком­плексах строятся системы управления, сочетающие описанные выше способы включения ЭВМ в контур управления. Такая си­стема разделяется на подсистемы, для каждой из которых в зави­симости от возможностей ее математического описания и эконо­мической целесообразности выбрана определенная структура., Комплекс подсистем можно реализовать либо на одной ЭВМ, разделяющей время между подсистемами, либо на нескольких ЭВМ, каждая из которых обслуживает соответствующую подсистему, либо на вычислительной сети, состоящей из большого числа мини- или микроЭВМ.

Иерархическая структура автоматического управления позво­ляет объединить управление различными производственными объектами и согласовать их работу, т. е. подойти к производ­ственному процессу как к единому целому, а не как к набору независимых частей. При этом можно автоматизировать весь комплекс производственных процессов, включая транспортные операции и различные организационные задачи.

Таким образом, применение современных средств управления технологическими и производственными процессами позволяет подойти к процессу как к единому целому, а не как к набору независимых частей; вести процесс с производительностью, ма­ксимально достижимой для данных технических средств, авто­матически учитывая непрерывные изменения технологических параметров, свойств исходных материалов и полуфабрикатов, изменения во внешней среде, ошибки оператора и др.; управлять процессом, постоянно учитывая динамику производственного плана для выпускаемой номенклатуры путем оперативной пере­стройки режимов технологического оборудования, перераспре­деления работ на однотипном оборудовании и т. п.