CC BY
605
ЭНЕРГЕТИКА
УДК 62-5
А. В. СЕРДЦЕВА
РАЗВИТИЕ АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ ПРОЦЕССАМИ
Рассмотрены этапы развития автоматизированных систем управления технологическим процессом от простейших механизмов до сложных структурированных систем, управляющих полностью производственным циклом.
Ключевые слова: история развития автоматизированных систем управления, автоматизация процессов, основные направления развития.
Повышение экономической эффективности производства, качества продукции является непременным условием успешной работы как крупных промышленных компаний, имеющих международный авторитет и признание, так и сравнительно небольших предприятий, обслуживающих потребности ограниченного региона. Решение этих проблем достигается за счёт внедрения современных технологий, оборудования и материалов, механизации и автоматизации производственных процессов.
Интеграция АСУ ТП в единую автоматизированную систему позволяет повысить оперативность и эффективность управления предприятием [1].
Совершенствование орудий и приёмов труда, приспособление машин и механизмов для замены человека в производственных процессах вызвали в конце XVIII в. - начале XIX в. резкий скачок уровня и масштабов производства, известный как промышленная революция XVШ-XIX вв. В эпоху промышленного переворота автоматику начинают внедрять в производство. Этот этап развития автоматики, длившийся более полутора столетий, сыграл огромную роль в науке и технике и привёл к выявлению ряда основных принципов автоматики, позволивших ускоренными темпами автоматизировать производственные процессы.
В 1765 г. появляется автоматический регулятор уровня воды в котле паровой машины. В одном из первых в истории техники автоматическом регуляторе Ползунова полностью осуществлён общий принцип действия любого автоматического регулятора прямого действия.
© Сердцева А. В., 2016
Следующий в истории техники получил широкое распространение центробежный регулятор скорости вращения вала паровой машины, изобретённый в 1784 г. Уаттом. Он имеет другую конструкцию и другую природу регулируемой величины (угловая скорость), но совершенно тот же общий принцип действия регулятора прямого действия. Измерительное устройство регулятора (центробежный механизм) реагирует на изменение регулируемой величины. И регулятор Пол-зунова, и регулятор Уатта являются регуляторами прямого действия, т. е. измерительное устройство может непосредственно (без дополнительного источника энергии) воздействовать на регулирующий орган. Питание регулятора прямого действия происходит за счёт энергии самого регулируемого объекта, подаваемой через измерительное устройство.
В 1804-1808 гг. появилась система программного управления ткацким станком от перфоленты Жаккарда. Первые регуляторы осуществляли прямое регулирование, при котором измерительный орган непосредственно воздействовал на исполнительный орган. Такое автоматическое регулирование было возможно только на машинах малой мощности, где для перемещения регулирующих органов (рычага, колеса) не требовалось больших затрат энергии. В 1873 г. французский инженер Ж. Фарко впервые осуществил непрямое автоматическое регулирование, введя в цепь регулирования усилитель - гидравлический сервомотор с жёсткой обратной связью. Это дало возможность не только повысить мощность воздействия регулятора, но и получить более гибкие алгоритмы регулирования. В 1884 появился регулятор непрямого действия с дополнительной релейной обратной связью, действовавшей до тех пор, пока
отклонение было отлично от нуля. Затем релейная связь была заменена непрерывной дифференциальной связью.
С 60-х годов XIX века в связи с быстрым развитием железных дорог стала очевидна необходимость автоматизации железнодорожного транспорта и, прежде всего, создания автоматических приборов контроля скорости для обеспечения безопасности движения поездов. В России одними из первых изобретений в этом направлении были автоматический указатель скорости инженера-механика С. Прауса (1868) и прибор для автоматической регистрации скорости движения поезда, времени его прибытия, продолжительности остановки, времени отправления и местонахождения поезда, созданный инженером В. Зальманом и механиком О. Графтио (1878).
Учение об автоматических устройствах до XIX в. замыкалось в рамки классической прикладной механики, рассматривавшей их как обособленные механизмы. Основы науки об автоматическом управлении по существу впервые были изложены в статье английского физика Дж. К. Максвелла «О регулировании» (1868) и труде русского учёного И. А. Вышнеградского «О регуляторах прямого действия» (1877), в котором впервые регулятор и машина рассматривались как единая система. В дальнейшем большой вклад в развитие теории автоматического управления внесли работы А. М. Ляпунова, И. Е. Жуковского, А. Стодолы, А. Гур-вица, Г. Найквиста и т. д.
С появлением механических источников электрической энергии - электромашинных генераторов постоянного и переменного тока (ди-намомашин, альтернаторов) - и электродвигателей оказалась возможной централизованная выработка энергии, передача её на значительные расстояния и дифференцированное использование на местах потребления. Тогда же возникла необходимость в автоматической стабилизации напряжения генераторов, без которой их промышленное применение было ограниченным.
Простота и надёжность индивидуального электропривода позволили механизировать не только энергетику станков, но и управление ими.
Широкое применение автоматизированного электропривода в 30-е годы XX века не только способствовало механизации многих отраслей промышленности, но по существу положило начало современной автоматизации производства. Тогда же возник и сам термин «Автоматизация производства».
В арсенале специалистов по управлению прочно закрепились принцип обратной связи, пропорционально-интегрально-дифференциальный (ПИД) регулятор, частотные методы анализа и синтеза систем [2].
Высокая экономическая эффективность, технологическая целесообразность и часто эксплуатационная необходимость способствовали широкому распространению автоматизации в промышленности, на транспорте, в технике связи, в торговле и различных сферах обслуживания.
Практически 50-е годы явились периодом, когда автоматизация производства начала внедряться во все имеющие значительный удельный вес отрасли. В машиностроении (производство тракторов, автомобилей и сельскохозяйственных машин) были пущены автоматические линии; начал работать автоматизированный завод по производству поршней для автомобильных двигателей. Закончен перевод на автоматическое управление агрегатов ГЭС, многие из них были полностью автоматизированы. На ряде крупнейших ТЭЦ были автоматизированы котельные цехи. В металлургической промышленности около 95% чугуна и 90% стали выплавлялось в автоматизированных печах; были введены в эксплуатацию первые автоматизированные прокатные станы. Пущены автоматические установки на нефтеперерабатывающих предприятиях. Осуществлено телемеханическое управление газопроводами. Автоматизированы многие системы водоснабжения. Начали действовать автоматические бетонные заводы. Лёгкая и пищевая промышленность стала широко оснащаться автоматами и полуавтоматами для расфасовки, дозировки и упаковки продукции и автоматическими линиями по производству продуктов. В металлообрабатывающей промышленности появились станки с программным управлением. Для производства массовой продукции были применены роторные автоматические линии. Во взрывоопасных химических производствах получило широкое распространение телемеханическое управление процессами.
Термин «АСУ» появился в момент, когда в системы управления для решения различных задач начали внедрять вычислительную технику. Типовая АСУ вначале выглядела как двухуровневая система: нижний уровень отвечал за сбор информации, а верхний - за принятие решения. Поток информации поступал от объекта управления к оператору, который обменивался данными с ЭВМ и осуществлял управление объектом.
История развития автоматизированных систем управления неразрывно связана с возрастающими требованиями к качеству регулирования технологических процессов производства тепловой и электрической энергии, а также с развитием технических средств автоматизации, совершенствование которых приводило к
Автоматизированные системы управления предприятием
Системы управление предприятием gr-—-— Sa
ИР Аналитика
-1:
Системы оперативного управления производством (MES)
Диспетчеризация производства
производственными процессами
Оперативное планирование
Учет наработки оборудования
Контроль состояния и распределения ресурсов
Отслеживание истории
Управление качеством
Анализ п роизводительности
База сбора и хранения данных
Автоматизированные системы управления тех. процессом
PLC
Верхний уровень: человеко-машинный интерфейс, диспетчерское управление и сбор данных
Средний уровень: Программируемые логические контроллеры, регуляторы, прогр. реле, частотные преобразователи.,
Полевой уровень
КИПиА, счетчики, исполнительные устройства
Нижний уровень: Input / Output Входные / выходные сигналы
Рис. Структура АСУ П
возможности реализации новых более сложных алгоритмов контроля и управления в составе АСУ ТП.
В качестве объекта управления могут подразумеваться как технические средства, так и производственные структуры; в зависимости от объекта управления различают автоматизированную систему управления производством (предприятием) АСУП и автоматизированную систему управления техническими средствами и процессами - АСУ ТП. Подробно уровни автоматизации представлены на рисунке.
АСУ П включает в себя:
ERP (Enterprise Resource Planning - Управление ресурсами предприятия);
MES (manufacturing execution system, система управления производственными процессами);
АСУ ТП, который в свою очередь содержат следующее:
1) Нижний/полевой уровень. Датчики, преобразователи, исполнительные механизмы, приборы, посредством которых система получает входные данные и передаёт объекту выходные управляющие сигналы).
2) Средний уровень. Осуществляется приём данных с полевого уровня и формирование команды управления. Управление в ПЛК осуществляется по заранее разработанному алгоритму, который исполняется циклически (приём данных - обработка - выдача управляющих команд.
Программируемый логический контроллер (ПЛК, programmable logic controller - PLC) - это специальный микрокомпьютер, первоначально предназначенный для выполнения операций переключения в промышленных условиях и призванный заменить применявшиеся ранее релей-но-контакторные схемы. Современные ПЛК имеют гораздо более широкие возможности,
включая работу с аналоговыми сигналами, ПИД-регулирование, выполнение математических операций, функций таймера, счётчика, программного задатчика режима и т. п. Однако первоначальное название и аббревиатура были сохранены, чтобы избежать путаницы с более общими терминами «программируемый контроллер» и «персональный компьютер» (оба по-английски PC).
Первый ПЛК был разработан в 1968 году группой инженеров компании General Motors. В это время ещё не были изобретены микропроцессоры (первый микропроцессор создан в 1971 году). ПЛК на основе микропроцессора был впервые создан в США в 1977 году компанией Allan Bradley Corporation на базе микропроцессора Intel 8080, с использованием дополнительных схем быстрого выполнения битовых логических операций.
Конструктивно современные ПЛК устроены так, что они хорошо приспособлены к работе в типовых промышленных условиях с достаточно широким температурным режимом, повышенной влажностью и запылённостью, при наличии высокого уровня вибрации и электромагнитных излучений.
3) Верхний уровень. Уровень визуализации, диспетчеризации (мониторинга) и сбора данных. На этом уровне задействован человек, т. е. оператор (диспетчер). Если он осуществляет контроль локального агрегата (машины), то для его осуществления используется так называемый человеко-машинный интерфейс (HMI, Human-Machine Interface). Если оператор осуществляет контроль за распределённой системой машин, механизмов и агрегатов, то для таких диспетчерских систем часто применим термин S CAD A (Supervisory Control And Data Acqusition - диспетчерское управление и сбор данных, англ.) В обоих случаях верхний уровень АСУ ТП обеспечивает сбор, а также архивацию важнейших данных от ПЛК, их визуализацию, т. е. наглядное (в виде мнемосхем, часто анимированных) представление на экране [3].
До внедрения средств автоматизации замещение физического труда происходило посред-
ством механизации основных и вспомогательных операций производственного процесса. Интеллектуальный труд долгое время оставался немеханизированным (ручным). В настоящее время операции физического и даже интеллектуального труда, поддающиеся формализации, становятся объектом механизации и автоматизации. Развитие автоматизированных систем управления идёт по пути совершенствования алгоритмов управления в области распределённых вычислений, интеллектуального пространства, а также «умных домов», которые могут воспринимать информацию не только от окружающей среды, но и учатся понимать людей, их вербальные и невербальные управляющие команды, а также контекстную обстановку. Учитывая развитие научно-технического прогресса, можно с уверенностью ожидать качественного скачка в развитии данной науки.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Кривоносов В. А. Автоматизация технологических процессов и производств: методическое пособие. - Старый Оскол : СТИ МИС и С, 2009. - 60 с.
2. Шишмарев В. Ю. Типовые элементы систем автоматического управления : учебник для сред. проф. образования. - М. : Издательский центр «Академия», 2004. - 304 с.
3. Петров И. В. Программируемые контроллеры. Стандартные языки и приёмы прикладного проектирования / под ред. проф. В. П. Дьяконова. - М. : СОЛОН-Пресс, 2004. — 256 с.: ил. -(Библиотека инженера).
Сердцева Аксиния Владимировна, окончила в 2015 году Московский государственный строительный университет. Аспирант кафедры «Электропривод и автоматизация промышленных установок» энергетического факультета УлГТУ. Имеет публикации в области электромеханики. E-mail: aksiniaserdzeva@gmail.com
Поступила 04.07.2016 г.
