Лекции по «Информационным технологиям в металлургии»

    3. Вспомогательные  функции.

    АСУТП является ответственной системой. Сбои в работе АСУТП означают потерю контроля над управляемым процессом. АСУТП должна обладать высокой надёжностью. Для обеспечения надёжности служат вспомогательные функции, которые обеспечивают контроль технологических и программных средств АСУТП.

    К АСУТП относятся  три нижних уровня информационной структуры.

    Input/Output – непосредственно взаимодействует с объектом. Его задачи:

1. Сбор информации с объекта.
2. Результаты этих величин передаются на следующий уровень Control.

    Функция Output предполагает, что с уровня Control на технологический объект передаются управляющие воздействия. Для этого технологический объект снабжают исполнительными механизмами. Назначение его – воздействие на регулирующий орган. Исполнительные механизмы могут быть электрическими, электромагнит-ными, пневматическими, гидравлическими.

     Уровень Control. Основная задача – непосредственное управление технологи-ческими параметрами. Для этого АСУТП имеет соответствующие аппаратные и программные средства (программируемые логические контроллеры – ПЛК (PLC)). ПЛК представляет собой специализированную ЭВМ или промышленный компьютер. Программное обеспечение этого уровня позволяет организовывать с помощью ПЛК локальные регуляторы, каждый из которых воспринимает информацию с датчика физической величины, вычисляет управляющее воздействие и передаёт исполнительным механизмам соответствующий сигнал, который превращается в положение регулирующего органа.

    Уставка регулятора – то значение величины, которое  необходимо поддер-живать с помощью регулятора. Значение уставки выбирается на уровне SCADA.

    Уровень SCADA – уровень диспетчерского управления. Получает информацию о технологическом процессе с нижних уровней информационной структуры (Input/Output и Control). Основная задача уровня SCADA – диспетчерское управление технологическим процессом. Для этого в составе SCADA систем имеется ряд специфических средств:

• Средство, позволяющее представить технологический объект наиболее наглядно. Чаще всего в составе SCADA систем имеется мнемосхема, на ней в соответствующих точках выводится в реальном времени текущие значения технологических параметров.
• Модельная система поддержки принятия решений (МСППР). Задача её: на базе математической модели  технологического процесса отыскать оптимальное управляющее воздействие, которое за тем превращается в уставки локальных регуляторов.

     Таким образом, SCADA система с уровня Control получает информацию о текущих значениях технологических параметров. Далее информация обрабатывается на основе математической модели, вычисляются уставки регуляторов и уставки возвращаются в локальные регуляторы.

    В составе SCADA есть другие компоненты, позволяющие в частности, архивировать данные о технологическом процессе. Эти архивные данные по запросу персонала выдаются в графическом виде зависимости измеряемой величины от времени. Такие графики носят название тренд. Они позволяют оценить динамику изменения состояния технологического процесса во времени.

    АСУТП содержит 1-е три уровня информационной системы.

    SCADA система выдаёт информацию на более высокие уровни информационной структуры предприятия.

    Уровень MES – уровень исполнения производства получает информацию от SCADA системы. Информация обобщённая. Уровень SCADA позволяет управлять отдельным технологическим аппаратом или отдельной технологической операцией. На уровне MES собирается информация с многих SCADA систем. В информации не содержится сведений о локальных параметрах технологических процессов (например, суточное количество перерабатываемой шихты, часовой расход энергии, средний состав шихты и др.). на основе этой информации на уровне MES рассчитываются материальные и энергетические балансы, характеризующие всю технологическую схему. На этом же уровне формируются плановые  задания для SCADA систем.

    Наиболее  высокий уровень – MRP – решение стратегических задач развития предприятий. Анализ результатов работы предприятия за относительно долгосрочный период (квартал, полугодие, год). Определяются критические точки технологии, а так же технические и экономические решения, которые позволяют оптимизировать работу предприятия в целом.

    При построении АСУТП  используется системный подход. В данном случае эта концепция предполагает:

1. нормализацию данных;
2. стандартизацию форм обмена информацией;
3. гибкие средства, позволяющие объединить различные аппаратные и программные части АСУТП.

    Неотъемлемой частью АСУТП является устройство сопряжения с объектом (УСО). УСО соответствует уровню Input/Output информационной системы.

     Задача: создать  АСУТП, позволяющую управлять процессом  плавки.

    TE – термопара.

    QE – количество шихты.

    FE – датчик подачи топлива и дутья.

    В составе УСО есть два модуля: модуль ввода (МВВ) и модуль вывода.

    Нормализация  данных.

    Датчики физических величин преображают  измеренную величину в определённый вид сигнала, чаще всего это электронный сигнал. Информация об измеренной величине в таком сигнале присутствует в аналоговой форме: это либо напряжение, либо ток. Датчики разрабатываются в соответствии с существующими стандартами ГСП. В рамках ГСП существуют унифицированные сигналы: 0…2В, 0…10В, -10…10В, – сигналы напряжения, – 0…20мА, 2…20мА, – сигналы тока.

    Программируемые логические контроллеры, входящие в  состав АСУТП – это цифровые электрические  машины. Т.о. возникает ещё одна задача: преобразование аналоговой величины в цифровую форму. Для этого существуют модули аналого-цифрового преобразования (АЦП) и наоборот ЦАП – цифро-аналоговое преобразование.

    УСО обеспечивает так же:

• гальваническую развязку;
• фильтрацию сигналов, передаваемых от датчиков контроллеру.

    УСО является неотъемлемой частью АСУТП, соответствует  уровню Input/Output. 

    Технологии хранения информации.

    По  мере развития технологических процессов  в металлургии информационный поток, сопровождающий технологический процесс, усиливается.

    Для оценки состояния технологического процесса необходимо иметь возможность  проследить за длительный период времени того или иного параметра. Следовательно, возникает необходимость хранить результаты измерений в течение довольно длительного времени. В совокупности получается большой массив информации.

    С другой стороны, эта информация должна быть доступна, т.е. любой элемент информации может быть из массива извлечён за приемлемое время. Технология хранения информации основана на применении баз данных (БД).

    БД  представляет собой упорядоченный  массив информации. Для создания и  работы с БД служит специальные программные средства, называемые системы управления БД (СУБД). В составе информационной системы для управления технологическим объектом обязательно существует БД и СУБД.

    Основные  задачи, решаемые использованием СУБД:

• создание БД, формирование её логической структуры;
• наполнение БД, т.е. размещение в БД необходимой информации;
• редактирование информации, содержащейся в БД;
• поиск необходимой информации в БД;
• формирование отчётов.

 

    Модельные системы поддержки  принятия решений (МСППР).

    Сами  информационные системы для управления технологическими процессами появились относительно недавно.

    МСППР появились в начале 70-х гг., особенно развивались в 80-е гг. благодаря  развитию методов моделирования  и применения компьютеров для  управления технологическими процессами. Основная задача МСППР – обработка информации и помощь ЛПР. Основное направление МСППР – выработка решений по управлению технологическими процессами в плохо структурированных задачах.

    Хорошо  структурированные  задачи управления – кода поведение объекта достаточно хорошо известно, т.е. хорошо известна внутренняя структура объекта управляемого объекта, известны элементы и связи между объектами. Хорошо структурированная система – детерминированная система.

    С другой стороны достаточно много  технологических объектов, которые можно отнести к классу плохо структурированных, их внутренние связи и элементы изучены недостаточно. Управление такими объектами в существенной степени зависит от опыта и интуиции персонала.

    В состав МСППР входят следующие необходимые  компоненты:

1. БД о процессе (составы, режимы).
2. Базы моделей.
3. Человеко-машинный интерфейс – обращается к БД и базам моделей для поиска информации и выработки решений.

 

    Технология  экспертных систем (ТЭС).

    ТЭС служит для обработки информации о процессах и использует методы искусственного интеллекта. Элементами экспертных систем являются эксперты и знания.

    Экспертом выступает специалист, имеющий достаточно большой опыт управления технологическим процессом.

    Основная  идея экспертных систем – использование опыта экспертов том случае, когда технологический процесс управляется менее квалифицированным персоналом.

    Экспертная  система содержит три необходимых элемента: 
 
 
 
 
 

    Эксперт, взаимодействуя с редактором базы знаний, передаёт свои знания базе знаний.

    Пользователь  через интерфейс пользователя общается с базой знаний.

    БД  хранит факты (результаты измерения  составов, технологических параметров процессов и т.д.).

    Знания – закономерности, связывающие факты.

    МСППР и экспертные системы являются наиболее высоким уровнем информационных технологий для управления технологическими процессами. Создание таких технологий требует значительных усилий, в том числе с участием специалистов предметной области. 

    Архитектура современных аппаратных и программных  средств.

    Информационные  технологии основаны на применении компьютерной техники. Т.о. необходимо иметь определённые знания, касающиеся архитектуры аппаратных и программных средств.

    Компьютер – это прибор для автоматизации, создания, хранения, обработки и транспортировки информации.

    Работа  компьютера основана на последующем выполнении определенных операций, предписанных программой. Таким образом, использование компьютерной техники означает использование аппаратных и программных ресурсов. С одной стороны компьютер – электронное устройство для обработки информации, но без наличия программы ничего не делает. С другой стороны, программа предписывает последовательность действий, но реализуется на определенном устройстве.

    Концепция персонального компьютера (ПК) означает, что пользователь компьютера решает задачи предметной области, не обладая знаниями в области программирования и компьютерной техники, то есть без помощи дополнительного персонала.

    ПК  имеет три основные части:

1. Процессор
2. Память
3. Периферийные устройства

    Эти части ПК, будучи электронными устройствами, связаны между собой системой шин. Шина – набор электрических проводников. Назначение электрических сигналов на шине, их электрические характеристики стандартизированы. Таким образом, использование стандартной шины делает аппаратную часть компьютера открытой архитектурой, то есть в компьютерную систему, как в целостное устройство, могут объединяться три составляющих различных производчиков и изготовителей.