610
Глава 6. Основы проектирования систем управления ХТП
10.	Каковы особенности комбинированного регулирования?
11.	Сформулируйте условия физической реализуемости динамическо-
го компенсатора.
12.	Назовите отличия каскадного регулирования от комбинированного.
13.	Приведите примеры двухконтурных каскадных систем регулирования.
14.	Объясните понятие «многосвязные системы регулирования». Како-
вы особенности многосвязных систем регулирования?
15.	Что характерно для регулирования объектов с запаздыванием?
16.	По каким признакам классифицируются регуляторы?
17.	Охарактеризуйте регуляторы прямого и непрямого действия.
18.	Каковы принципы построения управляющих устройств и как фор-
мируются законы регулирования?
19.	Каково назначение исполнительного устройства?
20.	Объясните принцип действия регулирующих органов
21.	Перечислите характеристики регулирующих органов.
22.	Объясните принцип действия исполнительных механизмов.
23.	Как происходит выбор исполнительного устройства?
24.	Как составляется техническое задание на проектирование систем
управления?
25.	Что лежит в основе выбора параметров контроля, сигнализации и
управления?
ГЛАВА
ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ ОБ АСУ ТП
В ХИМИЧЕСКОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ
Это такая штука, которую вы спокой-
но можете объяснить два раза, не опаса-
ясь, что кто-нибудь поймет, о чем вы го-
ворите.
А А Милн. Винни-Пух и все-все-все
7.1.	НАЗНАЧЕНИЕ АСУ ТП
Автоматизированная система управления технологическим про-
цессом — это человеко-машинная система управления, предназна-
ченная для выработки и реализации управляющих воздействий на
технологический объект управления в соответствии с принятым кри-
терием управления при помощи современных средств сбора и пере-
работки информации и вычислительной техники. Под технологи-
ческим объектом управления (ТОУ) в этом случае понимают сово-
купность технологического оборудования и технологического
процесса, реализованного на нем по соответствующим технологи-
ческим инструкциям и регламентам.
Совокупность совместно действующих АСУ ТП и ТОУ называ-
ют автоматизированным технологическим комплексом (АТК).
Создание и функционирование АСУ ТП направлено на получе-
ние определенных технико-экономических результатов (снижение
себестоимости продукции, уменьшение потерь, повышение качества
целевых продуктов, повышение производительности труда и т. п.).
При функционировании ТОУ на границе критических режимов их
эксплуатация без современной АСУ ТП практически невозможна.
Назначение АСУ ТП — обеспечить безопасность и устойчивость тех-
нологического процесса, проводя его в высокоинтенсивных и эко-
номичных режимах. Немного о целях функционирования АСУ ТП
говорилось ранее (см. разд. 2.2). Естественно, что эти цели разнооб-
разны и могут заключаться в обеспечении безопасности функцио-
нирования ТОУ, стабилизации параметров материальных и энерге-
20*
612
Глава 7. Основные сведения об АСУ ТП
гических потоков, обеспечении заданных параметров целевых про-
дуктов, оптимизации и согласовании режимов работы технологи-
ческого оборудования и т. п.
Степень достижения цели управления характеризуют с помощью
критерия управления — соотношения, принимающего различные
числовые значения в зависимости от используемых управляющих
воздействий, возмущающих воздействий и параметров состояния
ТОУ. В наиболее общей и часто встречающейся постановке цель
управления ТОУ заключается в обеспечении максимального эконо-
мического эффекта. Например, для установки первичной перера-
ботки нефти критерием управления может служить себестоимость С
целевой продукции:
3-±nniUni
г -____i=l_____
где 3 — затраты на выпуск продукции; 77п, — производительность
установки по побочным продуктам; Пи — производительность уста-
новки по целевому продукту; ЦП1 — цена побочных продуктов
Для сложных и крупных ТОУ (например, производство поли-
этилена, каучука, сложных минеральных удобрений) критерием уп-
равления может служить прибыль:
Прибыль =
/=1	1=1
где 77,- — производительность по целевым продуктам; Ц, — цена про-
изведенной продукции; 3, — суммарные затраты на производство и
автоматизацию.
Для упрощения задачи используют технико-экономические час-
тные критерии управления, учитывающие особенности ТОУ. Такими
частными критериями могут быть: производительность ТОУ при
определенных требованиях к качеству продукции и условиям эксп-
луатации оборудования, расход некоторых компонентов (присадок,
катализаторов) в технологическом процессе, время протекания тех-
нологического процесса от исходного до заданного состояния.
Замечание
В соответствии с особенностями частного критерия ставится задача
его максимизации или минимизации.
Кроме критерия управления необходимо задать в форме равен-
ства и (или) неравенства ограничения, устанавливающие верхние и
(или) нижние пределы для управляющих воздействий и управляемых
переменных. Ограничения бывают двух видов: физические (жесткие)
7.2. Основные функции АСУ ТП
613
и условные. Нарушать физические ограничения нельзя. Условные
ограничения могут нарушаться, но их нарушения приводят к сниже-
нию качественных показателей ведения технологического процесса.
7.2.	ОСНОВНЫЕ ФУНКЦИИ АСУ ТП
Функция АСУ ТП — это совокупность действий системы, на-
правленных на достижение определенной цели. В качестве действий
рассматривается последовательность операций и процедур, выпол-
няемых частями системы управления.
Функции АСУ ТП в целом как системы человек—машина вы-
полняются комплексом технических средств системы (техническим
обеспечением АСУ) и человеком — оператором (диспетчером), за
которым, как правило, сохраняется определяющая роль в выполне-
нии наиболее сложных, не поддающихся формализации задач.
Система управления ХТП выполняет ряд функций, объединен-
ных по назначению в подсистемы: информационную, управляющую,
вспомогательную.
7.2.1.	Информационная подсистема
Назначение этой системы — предоставление технологическому
персоналу (операторам-технологам, начальникам смен и т. д.) опе-
ративной, достоверной и своевременной, подробной и соответству-
ющим образом обработанной информации о настоящем, будущем и
прошлом химико-технологического процесса. В функции информа-
ционной подсистемы входят: сбор и первичная обработка информа-
ции, расчет показателей качества продукции, расчет технико-эко-
номических показателей, контроль и техническая диагностика объек-
та управления (ХТП).
7.2.1.1.	Сбор и первичная обработка информации
Первая операция — периодический опрос первичных измери-
тельных преобразователей (датчиков). Период опроса определяется
особенностями ХТП (инерционностью, запаздыванием, взрыво- и
пожароопасностью) и ресурсами вычислительной техники, поэтому
он может колебаться от нескольких миллисекунд до часа. Техноло-
гическому параметру присваивается измеренное значение до следу-
ющего обращения к первичному измерительному преобразователю.
Вторая операция — фильтрация и прогнозирование техноло-
гических параметров. По полученным результатам измерений необ-
ходимо определить наиболее правдоподобные текущие (в данный
614
Глава 7. Основные сведения об АСУ ТП
момент времени) и прогнозируемые (будущие) значения технологи-
ческих параметров. При фильтрации отбрасываются явно искажен-
ные значения технологических параметров (например, возникшие
вследствие неисправностей информационно-измерительной систе-
мы), и до следующего опроса технологическим параметрам присва-
иваются их расчетные значения.
Примечание
Для реализации этого необходимы расчетные уравнения параметров,
основанные на математической модели технологического процесса. По
имеющимся уравнениям рассчитывают прогнозируемые значения техно-
логических параметров. Необходимость в получении такого рода инфор-
мации появляется в аварийных ситуациях.
Третья операция — усреднение технологических параметров
за заданный промежуток времени (час, смена, сутки). Например, опре-
деление средней температуры в первом слое катализатора контактно-
го аппарата окисления диоксида серы за сутки.
Четвертая операция — расчет действительных значений
технологических параметров по информации, полученной от первичных
измерительных преобразователей с учетом их характеристик и введе-
нием поправок на состояние контролируемых сред. Например, при оп-
ределении расхода F по перепаду давления Ад на сужающем устрой-
стве по упрощенной формуле
F = аАу[Хр/р
с помощью вычислительной техники можно внести поправки в рас-
чет коэффициента расхода а, учесть изменение плотности среды р и
рассчитать (по температуре среды) ее действительное значение и, в
конечном итоге, с большей точностью определить расход среды F.
Пятая операция — интегрирование параметров (например,
интегрирование расхода для вычисления суммарного количества веще-
ства, израсходованного сырья: апатитового концентрата для полу-
чения фосфорных минеральных удобрений, серы для получения кон-
тактной серной кислоты; природного газа; выработанной продук-
ции за некоторый промежуток времени). В этой операции довольно
часто применяют метод дискретного интегрирования, который ос-
нован на вычислении интеграла по формуле прямоугольников:
У = Ху-Лт<’
»-!
где у — интегральное значение параметра из п измерений; Ат,- —
длительность /-го интервала времени; у, — мгновенное значение из-
меряемого параметра.
7.2. Основные функции АСУ ТП	615
Шестая операция — расчет количества продуктов в сборни-
ках и резервуарах по значениям измеренного уровня с учетом текущих
значений физико-химических параметров продуктов.
7.2.1.2.	Расчет показателей качества продуктов
Вычислительная техника с ее большими возможностями позволя-
ет рассчитывать показатели качества по текущим значениям парамет-
ров, измеряемых точно и оперативно (температуры, давления, расхо-
ды, уровни). Но для реализации такого подхода необходимо уравне-
ние, связывающее показатели качества и измеряемые технологические
параметры. Чаще всего используют уравнения регрессии, представ-
ляющие собой полином первой степени от технологических парамет-
ров, число которых, как правило, не превышает четырех, например.
Г = tz0 + atyt + о2у2 + a3y3 + a4y4,
где Y— показатель качества продукции, — параметры процес-
са; av..a4 — коэффициенты регрессии.
Результаты лабораторных анализов полученной продукции по-
стоянно вводятся в память вычислительной техники, что позволяет
корректировать уравнения регрессии в одном темпе с получением
достоверных данных путем изменения коэффициентов а. Эти коэф-
фициенты меняются так, чтобы погрешность рассчитанного значе-
ния Убыла минимальной.
Примечание
Автоматические анализаторы в химической промышленности характе-
ризуются большим запаздыванием (связанным, например, с отбором проб),
сложной конструкцией и высокой ценой. Во многих случаях анализ каче-
ства продукта выполняется периодически. В настоящее время интенсивно
ведутся разработки программных анализаторов виртуальных вискози-
метров, газоанализаторов и т. п. Виртуальные измерительные приборы ис-
пользуют математические модели, связывающие показатель качества про-
дукта с другими физическими величинами, для измерения которых приме-
няются более быстродействующие, точные и дешевые средства измерения.
Таким образом, виртуальные измерительные приборы позволяют косвенно
оценить текущее значение измеряемой величины, что равносильно приме-
нению непрерывно действующих анализаторов. Они позволяют также про-
гнозировать изменение измеряемой величины, что можно использовать для
улучшения качества управления объектами с большим запаздыванием или
для технической диагностики.
7.2.1.3.	Расчет технико-экономических показателей
К технико-экономическим показателям технологического про-
цесса можно отнести количество производимых основных и побоч-
ных продуктов, а также удельные расходы (расходы на единицу вы-
616
Глава 7. Основные сведения об АСУ ТП
рабатываемой продукции, например, на 1 тонну) всех видов сырья,
топлива, электроэнергии, пара, воздуха, воды, вспомогательных ма-
териалов.
7.2.1.4.	Контроль и техническая диагностика ХТП
Основные задачи: обнаружение отклонений значений технологи-
ческих параметров от заданных (номинальных) значений, гарантиру-
ющих нормальное протекание технологического процесса и выпуск
продукции, соответствующей ГОСТу; техническая диагностика обо-
рудования, учет его пробега, определение срока ремонта и т. д.
7.2.2.	Управляющая подсистема
Управляющая подсистема предназначена для выработки и реа-
лизации управляющих воздействий на ТОУ. Выработка управляю-
щих воздействий происходит на основании имеющейся информа-
ции. Управляющими функциями являются: одноконтурное, каскад-
ное или многосвязное автоматическое регулирование; оптимизация
статических и динамических режимов; координация подсистем и
оптимальное распределение ресурсов; адаптивное управление с са-
мообучением и изменением алгоритмов и параметров системы уп-
равления.
Основной тенденцией развития АСУ ТП является расширение
использования электронных вычислительных машин и объема функ-
ций, передаваемых им. Применение компьютеров повышает эффек-
тивность работы ТОУ за счет улучшения представления информа-
ции операторам-технологам о состоянии ТОУ, оптимизации стати-
ческих и динамических режимов, сокращения времени пуска и
останова оборудования, предотвращения и локализации аварийных
ситуаций, облегчения анализа и прогноза протекания нормальных и
аварийных режимов работы ТОУ.
7.2.2.1.	Регулирование отдельных технологических
параметров
Регулирование отдельных технологических параметров обычно
выполняется с помощью традиционных алгоритмов регулирования
(П-, И-, ПИ-, ПД-, ПИД-регуляторами). Для этих целей можно
использовать, например, микропроцессорные контроллеры. Приме-
нение вычислительной техники позволяет реализовать любой слож-
ный закон регулирования и создавать адаптивные системы управле-
ния, способные самостоятельно подбирать подходящий для данного
ТОУ закон регулирования и рассчитывать параметры его настройки.
7.3. Разновидности АСУ ТП
617
7.2.2.2.	Программно-логическое управление
По командам вычислительной техники происходит открытие и
закрытие РО, установленных на трубопроводах, включение и от-
ключение технологических аппаратов, насосов, вентиляторов, ком-
прессоров. Такое управление может быть реализовано по двум вари-
антам:
I)	при пуске и останове ТОУ по жесткой временной программе;
II)	при переходе ТОУ с одного режима на другой (или возникно-
вение какого-то нежелательного технологического события) при
достижении характерным технологическим параметром заданного
критического значения.
Для этих целей можно использовать программируемый логичес-
кий контроллер. Такая функция может быть возложена на вычисли-
тельную технику, например, на персональную ЭВМ.
7.2.2.3.	Оптимальное управление
Поиск и выдача оптимальных управляющих воздействий, спо-
собных обеспечить наилучшее достижение цели управления, проис-
ходят на основе математической модели ХТП, отражающей физи-
ческие и прочие явления, происходящие в ТОУ. Алгоритм, постро-
енный на основе математического описания ТОУ, позволяет
прогнозировать поведение ТОУ при поступлении в него возмущаю-
щих и управляющих воздействий
7.2.3.	Вспомогательная подсистема
Вспомогательная подсистема предназначена выполнять функ-
ции, обеспечивающие нормальную эксплуатацию АСУ ТП. Вспо-
могательные функции АСУ ТП заключаются в сборе и обработке
данных о состоянии технического и программного обеспечения АСУ
ТП и представлении этой информации персоналу или осуществле-
нии управляющих воздействий на соответствующие технические
средства АСУ.
7.3.	РАЗНОВИДНОСТИ АСУ ТП
В зависимости от распределения функций между техническими
средствами автоматизации, степени централизации управления тех-
нологическими процессами и структуры вычислительной информа-
ционно-управляюшей системы (вычислительного комплекса) раз-
личают несколько разновидностей АСУ ТП.
618
Глава 7. Основные сведения об АСУ ТП
7.3.1.	АСУ ТП, в которых все информационные
и управляющие функции выполняются
без применения вычислительного комплекса
Основные функции таких систем управления: измерение и кон-
троль параметров технологического процесса; стабилизация тех-
нологических режимов процесса на уровне, определяемом регла-
ментом производства; программное управление (включая пуск и
останов технологического процесса); защита технологического обо-
рудования от аварий; оперативная связь с другими ступенями уп-
равления.
7.3.2.	АСУ ТП с вычислительным комплексом,
выполняющим информационно-вычислительные
функции
Системы этого вида содержат все функциональные элементы,
характерные для предыдущей разновидности АСУ ТП, и дополне-
ны вычислительным комплексом (ВК). Вычислительный комплекс
получает информацию о состоянии ТОУ и выполняет функции цен-
трализованного контроля и вычисления комплексных технических
и технико-экономических показателей На оператора-технолога воз-
лагают анализ информации, выработку решений и реализаций уп-
равляющих воздействий. Полученные данные выводятся на сред-
ства отображения информации, а также передаются в вышестоя-
щую АСУ для дальнейшей обработки и анализа, построения и (или)
уточнения математической модели управляемого технологическо-
го процесса.
7.3.3.	АСУ ТП с вычислительным комплексом,
выполняющим функции «советчика» оператора
Кроме функций, возложенных на ВК в предыдущей разновид-
ности АСУ ТП, вычислительный комплекс решает задачу анализа и
принятия решений с выдачей рекомендаций по управлению («сове-
тов») оператору-технологу. Воздействия, необходимые для прибли-
жения технологического процесса к оптимуму, определяются вычис-
лениями по модели, и результаты представляются оператору-техно-
логу, который управляет процессом, изменяя задания автоматическим
регуляторам или выполняя другие действия, следуя рекомендациям,
вырабатываемым ВК.
7.3. Разновидности АСУ ТП
619
7.3.4.	АСУ ТП с вычислительным комплексом,
выполняющим функции центрального
управляющего устройства
(супервизорное управление)
Особенность данного вида управления заключается в том, что
ВК включен в замкнутый контур управления и вырабатывает управ-
ляющие воздействия по изменению заданий системам автоматическо-
го регулирования (рис. 7.1, а). Задача супервизорного управления —
поддержание процесса вблизи оптимальной рабочей точки, опера-
тивно воздействуя на нее. Работа информационной части системы
супервизорного управления такая же, как и работа системы «совет-
чика» оператора. Процедуры вычислений по определению управля-
ющих воздействий одинаковы. После того как расчеты по матема-
тической модели выполнены, значения управляющих воздействий
преобразуются в сигналы, используемые для изменения заданий и
настроек регуляторов. Контур управления в АСУ ТП замкнут через
ВК, а функции оператора-технолога сводятся к наблюдению. Опе-
ратор-технолог выполняет управляющие функции только в том случае,
если произошло нарушение нормального режима работы системы.
7.3.5.	АСУ ТП с вычислительным комплексом,
выполняющим функции непосредственного
(прямого) цифрового управления
В режиме непосредственного цифрового управления (НЦУ) сиг-
налы, используемые для приведения в действие исполнительных
устройств, вырабатываются непосредственно ВК, а автоматические
регуляторы исключены из системы (рис. 7.1, б) или используются
как резерв. ВК рассчитывает требуемые значения управляющих воз-
действий и передает соответствующие сигналы на исполнительные
механизмы регулирующих органов (ИУ), причем это выполняется
для каждого контура регулирования. В зависимости от типа техно-
логического процесса и мощности ВК число контуров регулирова-
ния может достигать несколько сотен. Одно из главных преиму-
ществ данного вида управления — возможность изменения алгорит-
мов регулирования и управления для контуров простым внесением
изменений в программу. Естественно, что такие изменения должны
быть тщательно подготовлены, а новая программа полностью про-
верена перед ее использованием в системе.
Применение ВК делает удобным построение программным пу-
тем сложных систем каскадного и многосвязного регулирования,
620
Глава 7. Основные сведения об АСУ ТП
►i Технологический
объект
управления
Рис. 7.1. Режимы работы АСУ:
а — супервизорное управление, б — непосредственное цифровое управление
7.3. Разновидности АСУ ТП
621
учитывающих взаимосвязи между отдельными частями ТОУ. Пря-
мое управление от ВК позволяет реализовать как оптимизирую-
щие функции, так и операции по управлению основным техноло-
гическим и вспомогательным оборудованием в режимах пуска и
останова.
Замечание
Некоторые внедряемые системы управления являются комбинацией
систем НЦУ и супервизорного управления. НЦУ предъявляет повышен-
ные требования к надежности ВК, поскольку отказ ВК приводит к отказу
своей системы управления.
7.3.6.	Распределенные АСУ ТП
В АСУ ТП данного вида различные функции могут быть выпол-
нены несколькими взаимосвязанными процессорами, объединенны-
ми в вычислительную сеть. Широкое применение в распределенных
АСУ ТП микроЭВМ позволяет приблизить средства обработки дан-
ных к ТОУ, сократить потоки информации к центральному ВК и
осуществить комплекс мер по повышению надежности АСУ ТП —
самодиагностику технических средств, автоматическое резервиро-
вание, обнаружение и исправление неисправностей.
Распределенная система управления (РСУ) сочетает преимуще-
ства систем управления, основанных на вычислительной технике, с
достоинствами децентрализованных систем, основанных на локаль-
ных средствах автоматики, которым присуща «живучесть».
Различают функциональное и территориальное разделение РСУ.
Функциональная децентрализация предполагает упрощение про-
цесса управления, распределяя отдельные функции управления и их
реализацию на отдельные ПЭВМ. Например, на ПЭВМ №1 возлага-
ются все информационные функции (рис. 7.2, а), на ПЭВМ № 2 -
вспомогательные, на ПЭВМ № 3 — управляющие.
Естественно, такой подход повышает надежность и эффектив-
ность системы управления в целом (можно сравнить с централизо-
ванной системой управления, изображенной на рис. 7.2, б). Более
того, жизнеспособность РСУ можно повысить за счет частичного
перекрытия функций, выполняемых отдельными микроЭВМ.
Замечание
Первой и еще кое-где действующей в настоящее время в химической
промышленности из технических структур АСУ ТП была централизован-
ная. В системах с централизованной структурой вся информация, необхо-
димая для управления автоматизированными технологическими комплек-
сами (АТК), поступает в единый центр — операторский пункт, где установ-
лены все технические средства АСУ ТП (исключая источники информации
622
Глава 7. Основные сведения об АСУ ТП
Рис. 7.2. Структурные схемы АСУ ТП:
а функционально децентрализованная; б— централизованная; в—терри-
ториально-децентрализованная
и исполнительные устройства) и где находится оперативный персонал. Та-
кая техническая структура проста и характеризуется рядом очевидных экс-
плуатационных достоинств. К недостаткам же относится: избыточное чис-
ло элементов для обеспечения высокой надежности функционирования АСУ
ТП, большие затраты дефицитного кабеля для связи. Централизованную
АСУ ТП целесообразно применять для сравнительно небольших по мощ-
ности и компактных АТК с невысокими требованиями к надежности.
7.4. Режимы работы АСУ ТП
623
Территориальная децентрализация предполагает территориаль-
ное распределение микроЭВМ (рис. 7.2, в) по технологическим уча-
сткам объекта управления, т. е. приближая средства обработки ин-
формации к ее источникам и потребителям (к установкам ТОУ).
Как правило, РСУ сочетает оба вида распределения.
При создании РСУ соблюдается иерархический принцип уп-
равления: на нижнем уровне — управление отдельными установка-
ми ТОУ (или выполнение отдельных функций) осуществляется мик-
роЭВМ (ПЭВМ); на верхнем уровне - управление всей системой
осуществляется управляющим вычислительным комплексом (УВК).
На этот компьютер возлагается: согласование работы всех частей
АСУ ТП, оптимальное управление ТОУ в целом, управление в
предаварийных и аварийных ситуациях; контроль за локальными
микроЭВМ; подготовка, хранение и подпитка программ микро-
ЭВМ. При отказе микроЭВМ центральная ЭВМ может взять на
себя часть ее функций. Поскольку предполагается достаточно вы-
сокая автономность микроЭВМ, даже выход из строя управляю-
щей ЭВМ не способен привести к катастрофическим последстви-
ям. Иначе говоря, такой подход в создании РСУ повышает «живу-
честь» системы в целом.
7.4.	РЕЖИМЫ РАБОТЫ АСУ ТП
Для АСУ ТП характерно наличие двух режимов работы: автома-
тизированного и автоматического.
7.4.1.	Автоматизированный режим
В зависимости от участия человека (технологического персонала)
в управлении возможны следующие варианты данного режима: руч-
ное управление, режим «советчика», диалоговый режим.
7.4.1.1.	Ручное управление
На основе получаемой по различным каналам информации о
состоянии ТОУ оперативный персонал принимает решения об из-
менении технологического режима и воздействует на технологичес-
кий процесс. Операторы могут либо непосредственно изменять уп-
равляющие воздействия (дистанционно из пункта управления, зак-
рывая или открывая регулирующие органы), либо менять задания
автоматическим регуляторам.
624
Глава 7. Основные сведения об АСУ ТП в ХП
7.4.1.2.	Режим «советчика»
Действенность этого режима определяется правильностью реко-
мендаций, выработанных ЭВМ. В этом режиме ЭВМ рекомендует
операторам-технологам через монитор оптимальные значения ос-
новных режимных технологических параметров (например, темпе-
ратуры в реакторе, расхода исходного сырья в реакторе, pH среды).
Оператор-технолог, проанализировав полученные рекомендации,
поступившую информацию о технологическом процессе, а также
учитывая собственный опыт и интуицию, принимает решение о це-
лесообразности изменения технологического режима. Принимая
«совет», оператор-технолог вмешивается в технологический режим
ТОУ, либо меняя задания автоматическим регуляторам, либо не-
посредственно (как в режиме ручного управления).
7.4.1.3.	Диалоговый режим
Оператор запрашивает через ЭВМ дополнительную информа-
цию о наличии сырья, о прогнозируемых показателях качества це-
левой продукции, анализирует ее и затем принимает решение о це-
лесообразности изменения технологического режима.
7.4.2.	Автоматический режим
В отличие от автоматизированного режима, этот режим работы
АСУ ТП предусматривает формирование и реализацию управляю-
щих воздействий без какого-либо участия человека (оператора-тех-
нолога). Возможны следующие варианты этого режима: супервизор-
ное управление (см. рис. 7.1, а), непосредственное цифровое управ-
ление (см. рис. 7.1, б).
7.4.2.1.	Супервизорное управление
ЭВМ автоматически изменяет задания автоматическим регуля-
торам и параметры их настройки. Одновременно на программном
уровне решаются вопросы защиты ТОУ от опасных и ненужных из-
менений технологических параметров.
7.4.2.2.	Непосредственное цифровое управление
В этом режиме ЭВМ реализует результаты расчетов по поиску
оптимальных режимов путем воздействия на исполнительные уст-
ройства. Требования к надежности управляющей подсистемы в та-
ком режиме управления неизмеримо возрастают, гем более что уп-
7.5. Обеспечение АСУ ТП
625
равляющая подсистема должна учитывать все возможные техноло-
гические режимы работы ТОУ и не допускать ухода его в неустой-
чивое состояние, где возможны различные аварийные ситуации.
7.5.	ОБЕСПЕЧЕНИЕ АСУ ТП
Для выполнения функций, рассмотренных в разд. 7.2, необходи-
мы техническое, программное, математическое, информационное, мет-
рологическое, лингвистическое и организационное обеспечение АСУ ТП
и оперативный персонал.
Термином «техническое обеспечение АСУ ТП» принято опреде-
лять комплекс технических средств (КТС), обеспечивающих функ-
ционирование АСУ ТП. Совокупность технических средств и про-
грамм, используемых для создания АСУ ТП, называют программно-
техническим комплексом (ПТК).
7.5.1.	Техническое обеспечение
В состав технического обеспечения входят:
•	средства получения, преобразования, передачи и отображения
информации (первичные измерительные преобразователи, норми-
рующие преобразователи, средства измерения);
•	средства вычислительной техники, управляющие устройства
(регуляторы, промышленные контроллеры);
•	исполнительные устройства (исполнительные механизмы, ре-
гулирующие органы).
Примечание
Термином «промышленный контроллер» обозначают специализирован-
ное микропроцессорное устройство со встроенным аппаратным и программ-
ным обеспечением, которое используется для выполнения функций управ-
ления технологическим оборудованием.
Состав и структура КТС определяются особенностями ТОУ, фун-
кциями и режимами АСУ ТП.
Непосредственно на объекте управления устанавливаются:
•	первичные измерительные преобразователи, воспринимаю-
щие параметры технологического процесса (давление, расход га-
зов или жидкостей, температуру, уровень жидкости, электричес-
кую мощность);
•	сигнальные двухпозиционные устройства, передающие инфор-
мацию о состоянии (включении или выключении) того или иного
технологического оборудования;
626
Глава 7. Основные сведения об АСУ ТП
•	исполнительные устройства, реализующие управляющие воз-
действия открытием клапанов и заслонок, изменением частот вра-
щения двигателей, режима работы насосов.
Основа ПТК современных АСУ ТП — микропроцессорные сред-
ства, микроЭВМ. Условно их делят на аппаратные, программно-
аппаратные и программируемые. Приведенная классификация но-
сит приближенный характер. Четких границ между классами ПТК
не существует, а в последние годы они тем более размываются, так
как открытость и стандартность отдельных компонентов таких ком-
плексов позволяет компоновать их из разных средств, соединять
различными типовыми сетями и создавать систему управления из
отдельных компонентов, выпускаемых разными фирмами и относя-
щихся к разным классам
Замечание
При переходе от традиционных аналоговых средств автоматизации к
микропроцессорным средствам расширяются функциональные возможно-
сти и увеличивается гибкость систем управления, повышается точность.
Микропроцессорные измерительные приборы могут не только регистри-
ровать текущее значение нескольких технологических параметров, но и
определять их отклонение от номинальных значений, рассчитывать сред-
нее значение технологического параметра за заданный промежуток време-
ни и т. д.
Аппаратные средства — микропроцессорные устройства с жест-
кой логикой, реализуемой программами, записанными в постоян-
ном запоминающем устройстве. Их применяют для выполнения сле-
дующих функций: сбор данных, одноконтурное цифровое регулиро-
вание, представление данных, индикация, сигнализация, первичная
обработка информации, программное логическое управление и т. д.
Число обслуживаемых входов и выходов может быть сравнительно
невелико. В состав аппаратных средств входят микропроцессор (или
интегральные микросхемы), память, таймер, коммутатор, устрой-
ства для перехода от автоматического режима управления к ручному
и обратно, интерфейс. На их основе создаются отдельные преобра-
зователи, регуляторы.
Программно-аппаратные средства построены на основе микро-
процессорных комплексов и микроЭВМ. Они предназначены для
реализации функций средней сложности АСУ ТП: многоконтурного
цифрового регулирования, многосвязного программно-логического
управления, многоканального сбора информации, обработки и конт-
роля технологических параметров со средним быстродействием и с
большим числом обслуживаемых входов и выходов. В состав про-
граммно-аппаратных средств входят комплекты микропроцессоров,
память, автономный источник питания, модули сопряжения с уст-
ройствами ввода-вывода и с ЭВМ верхнего уровня.
7.5. Обеспечение АСУ ТП	627
Примечание
Реализованные на базе микропроцессорной техники устройства, пред-
назначенные для сбора, преобразования, обработки, хранения информа-
ции и выработки команд управления, называют программируемыми логичес-
кими контроллерами (ПЛК). Первоначально они предназначались для за-
мены релейно-контактных схем, собранных на дискретных компонентах —
реле, счетчиках, таймерах, элементах жесткой логики. Принципиальное
отличие ПЛК от релейных схем заключается в том, что все его функции
реализованы программно. На одном контроллере можно реализовать схе-
му, эквивалентную тысячам элементов жесткой логики. При этом надеж-
ность работы схемы не зависит от ее сложности. ПЛК работают в локаль-
ных и распределенных системах управления в режиме реального времени в
соответствии с заданной программой.
Промышленные контроллеры, относящиеся, как правило, к про-
граммно-аппаратным средствам, строятся по модульному принципу
и являются многофункциональными.
В общем случае промышленный контроллер содержит следую-
щие модули: микропроцессор, интегральные схемы памяти, жидко-
кристаллический дисплей, усилители, АЦП, ЦАП и др. Особеннос-
тью применяемых в АСУ ТП промышленных контроллеров является
возможность хранения в памяти измеренных значений технологи-
ческих параметров. Это позволяет отображать на дисплее историю
изменения параметра в течение длительного времени.
Для обработки сигналов в большинстве промышленных контрол-
леров предусмотрен набор типовых программ: извлечение квадрат-
ного корня, кусочно-линейная аппроксимация, интегрирование,
дифференцирование, фильтрация, масштабирование сигнала зада-
ния при внешнем каскадном соединении, вычисление сигнала ком-
пенсации основного возмущающего воздействия, ограничение вы-
ходного сигнала и др. Чтобы улучшить качество регулирования не-
стационарных процессов, предусматривается самонастройка каждого
регулятора. Промышленные контроллеры могут быть подключены к
ПЭВМ либо через интерфейс, либо через сеть. Наличие сети позво-
ляет соединять контроллеры между собой для обмена данными.
Программируемые средства применяются для выполнения слож-
ных функций, а также для управления ТОУ большой информацион-
ной мощности (это характерно для многих химических производств).
Они реализуются на многомашинных комплексах микро- и мини-
ЭВМ, входящих в локальные управляющие вычислительные сети.
ЭВМ в АСУ ТП. Функциональное назначение ЭВМ, их место и
роль в системах управления обусловливают ряд специфических тре-
бований: обеспечение обмена информацией между объектом управ-
ления и управляющим устройством; решение задач управления, сбора
и переработки информации в реальном масштабе времени; обеспе-
чение большой продолжительности непрерывной работы; обеспече-
628
Глава 7. Основные сведения об АСУ ТП
ние высокой надежности и программной устойчивости к сбоям и
отказам аппаратуры; возможность реализации широкого круга задач
управления в течение всего периода эксплуатации системы.
Отличительной особенностью управляющих ЭВМ является при
сутствие в них устройства связи с объектом.
Устройства связи с объектом (УСО) предназначены для сбора,
передачи и ввода в управляющий вычислительный комплекс (УВК)
в режиме реального времени информации, поступающей от первич-
ных измерительных преобразователей, а также для вывода из УВК
управляющих сигналов на исполнительные устройства (см. рис. 7.1).
УСО представляют собой совокупность модулей, позволяющих
принимать, обрабатывать, выдавать сигналы различного типа в ши-
роком диапазоне значений напряжения, тока, мощности, длитель-
ности импульсов, обеспечивая сопряжение вычислительного комп-
лекса с разнообразными техническими средствами (датчиками, ис-
полнительными механизмами и другими устройствами).
Устройства связи с объектом могут быть пассивными и выпол-
нять операции по сбору информации и выдаче управляющих ко-
манд под управлением центрального микропроцессора-контролле-
ра. В этих модулях как минимум должны выполняться фильтрация
и аналого-цифровое преобразование сигналов и при необходимости
гальваническое разделение.
УСО могут быть «интеллектуальными», т. е. имеющими собствен-
ные встроенные микропроцессоры, которые обеспечивают выпол-
нение функций первичной обработки., контроля достоверности, кор-
рекции значений, присвоения меток времени событиям и т. п.
В состав ПТК могут входить специализированные интеллектуаль-
ные модули УСО, предназначенные для реализации функций цифро-
вого регулирования (управления). Эти модули, позволяющие реализо-
вать требуемые алгоритмы автоматического управления, должны обес-
печивать прием определенного количества аналоговых, дискретных
сигналов, а также формирование и выдачу управляющих сигналов.
Примечание
УСО в виде специализированных модулей могут входить в состав кон-
троллеров, либо представлять собой отдельные конструктивно закончен-
ные изделия двух модификаций: для размещения в щитовой и выносных
для размещения на объекте вблизи источников информации.
Устройства ввода аналоговых сигналов (рис. 7.3) обеспечивают
прием, нормализацию и фильтрацию (все три операции осуществ-
ляют модули нормализации) и коммутацию (коммутатор) электри-
ческих аналоговых сигналов от первичных измерительных преобра-
зователей (датчиков), а также преобразование их с помощью анало-
го-цифрового преобразователя в цифровой кодовый сигнал.
7.5. Обеспечение АСУ ТП
629
Рис. 7.3. Структурная схема ввода аналоговых сигналов в УВК.
МН — модули нормализации; АЦП — аналого-цифровые преобразователи
Сигналы от термопреобразователей сопротивления должны по-
ступать в УСО по четырех- или трехпроводной линии связи.
УСО для ввода сигналов от термоэлектрических преобразовате-
лей (термопар) должны допускать их заземление в местах установки
на объекте.
Устройства ввода дискретной информации используются для при-
ема дискретных сигналов от двухпозиционных, кодовых и число-
импульсных сенсоров, преобразования их в цифровой кодовый сиг-
нал и проведения над ними простейших арифметических (типа сло-
жения) и логических операций.
Устройства вывода аналоговой информации служат для линейного
преобразования цифровых кодовых сигналов в токовый аналоговый
унифицированный сигнал стандартного диапазона 0...5 мА. Возможна
установка цифроаналогового преобразователя (ЦАП) на каждом
выходном канале или же одного ЦАП, работающего в режиме раз-
деления времени и с выходным запоминающим усилителем в каж-
дом выходном канале. ЦАП выпускают в двух модификациях: для
вывода информации из УВК на аналоговые показывающие и регис-
трирующие приборы и для управления исполнительными устрой-
ствами.
Устройства вывода дискретной информации вырабатывают цифро-
вые управляющие сигналы. Выходами этих устройств могут быть сиг-
налы тока или напряжения, срабатывание полупроводникового клю-
ча или замыкание электромеханического реле. Эти устройства могут
быть использованы для непосредственного (прямого) управления или
630
Глава 7. Основные сведения об АСУ ТП
для изменения задания регуляторам. По мощности дискретные вы-
ходные сигналы делятся на маломощные (меньше 10 ВА), средней
мощности (от 10 ВА до 50 ВА) и большой мощности (выше 50 ВА)
7.5.2.	Программное обеспечение
Программное обеспечение (ПО) представляет собой совокупность
программ, необходимых для реализации всех функций АСУ ТП
Программное обеспечение должно отвечать следующим прин-
ципам:
•	блочно-модульное построение всех составляющих ПО;
•	иерархическая структура ПО и данных;
•	эффективность (минимальная затрата вычислительных ре-
сурсов);
•	открытость (возможность расширения и модификации);
•	гибкость (возможность внесения изменений и перенастройки);
•	надежность (соответствие заданному алгоритму, отсутствие лож-
ных действий, защита от разрушения и несанкционированного дос-
тупа как программ, так и данных);
•	живучесть (выполнение возложенных функций в полном или
частичном объемах при сбоях и отказах, восстановление после
сбоев);
•	унификация решений.
Программное обеспечение реализуется на двух уровнях управле-
ния: на верхнем уровне в среде рабочих станций (операторских, ин-
женерных, архивных), построенных на базе персональных компью-
теров, и на нижнем уровне в среде программируемых контроллеров.
Программное обеспечение разделяется на базовое (общее, фир-
менное) и прикладное (специальное, пользовательское).
7.5.2.1.	Базовое программное обеспечение
Базовое ПО поставляется разработчиком ПТК и включает в себя
системное ПО и ПО инструментальных средств разработки, отладки
и документирования.
В системное ПО входят:
•	стандартные операционные системы;
	программы поддержки обмена данными;
•	системы управления базами данных.
Используемые в ПТК операционные системы должны обеспе-
чивать: высокую производительность; поддержку многозадачного
режима; модульность, гибкую конфигурируемость; высокую устой-
чивость и надежность; многоуровневую, основанную на приорите-
тах, обработку прерываний; поддержку стандартных сетей, а также
7.5. Обеспечение АСУ ТП
631
различных промышленных интерфейсов ввода-вывода; удобный и
понятный пользователю графический интерфейс.
Инструментальные средства предназначены для максимального
упрощения и облегчения процесса разработки, проектирования, до-
кументирования и отладки АСУ ТП. Они должны, как правило, со-
вмещать в себе функции разработки и тестирования. Программное
обеспечение инструментальных средств базируется на действующих
стандартах и используется для решения наиболее сложных вопро-
сов, связанных с автоматизацией процессов создания прикладных
программ АСУ ТП: прием и обработка сигналов, организация авто-
матического управления исполнительными устройствами, визуали-
зация измеренных величин (в том числе в виде графиков, гисто-
грамм и т. п.), ведение архивов и генерации отчетов.
Программное обеспечение инструментальных средств разработ-
ки, отладки и документирования включает в себя:
•	средства настройки базового ПО;
•	средства диагностики и самодиагностики ПТК;
•	средства создания и отладки прикладного ПО
7.Б.2.2. Прикладное программное обеспечение
Прикладное ПО представляет собой совокупность программ,
реализующих информационные, управляющие и вспомогательные
функции (обеспечение заданного функционирования технических
средств системы, проверка правильности ввода информации и т. п.)
конкретной АСУ ТП. Оно может разрабатываться как поставщиком
ПТК, так и разработчиком АСУ ТП.
Прикладное программное обеспечение содержит следующие ос-
новные программы:
•	линеаризации характеристик первичных преобразователей (дат-
чиков);
•	контроля достоверности сигналов,
•	сглаживания (фильтрации) сигналов первичных измеритель-
ных преобразователей (датчиков);
•	обнаружения выхода параметров за допустимые пределы;
•	архивации данных;
•	отображения информации (операторам, технологам и т. д.);
•	технологической сигнализации;
•	составления отчетов;
•	автоматического регулирования;
•	технологических защит и блокировок;
•	вычисления технико-экономических показателей работы тех-
нологического оборудования; вычисления управляющих воздействий;
•	оптимизации технологического процесса.
632
Глава 7. Основные сведения об АСУ ТП
7.5.3.	Математическое обеспечение
Математическое обеспечение представляет собой комплекс мате-
матических методов, моделей и алгоритмов,' используемых при раз-
работке и функционировании системы управления. Математичес-
кая формулировка задачи управления включает математическую
модель объекта, критерий управления и ограничения. Для представ-
ления модели в аналитической форме необходимо знание физичес-
кой природы ТОУ, его структуры и конструктивных особенностей.
Если характеристики ТОУ подвержены изменениям, то соответствие
модели объекту должно непрерывно проверяться и уточняться на
основе информации о состоянии объекта. Вычислительная техника,
входящая в АСУ, накапливает информацию об управляемом техно-
логическом процессе в виде совокупности значений измеряемых
параметров, сведений о состоянии оборудования и других данных,
затем перерабатывает эту информацию с целью выработки управля-
ющих воздействий. Переработку информации вычислительная тех-
ника осуществляет по алгоритму, который определяет, каким обра-
зом, располагая информацией о технологическом процессе, полу-
ченной на основе измерений, и зная ограничения, накладываемые
на технологический процесс, выбрать целесообразные управляющие
воздействия в различных производственных ситуациях.
Замечание
Алгоритм, выполняемый вычислительной техникой, примерно соот-
ветствует рассуждениям и вычислениям, которые должен был бы сделать
сам оператор-технолог в отсутствие вычислительной техники. Такой алго
ритм-инструкция, выраженный на формальном языке математических фор
мул и логических условий, определяет последовательность действий, каж-
дое из которых соответствует выполнению вычислительной техникой оп-
ределенной операции.
На основе математического обеспечения разрабатывается про-
граммное обеспечение.
Структурой и характеристиками программного и математичес-
кого обеспечения определяется другой вид обеспечения АСУ ТП —
информационное.
7.5.4.	Информационное обеспечение
Информационное обеспечение представляет собой совокупность
сведений о потоках и массивах информации, характеризующих со-
стояние автоматизированного технологического комплекса.
Информационное обеспечение включает:
7.5. Обеспечение АСУ ТП
633
•	перечень и характеристики сигналов, с помощью которых пе-
редается информация о ТОУ и системе управления;
•	описание систем классификации и кодирования технической
и технико-экономической информации;
•	описание массивов информации, форм документов и видео-
кадров, используемых в системе;
•	описание нормативно-справочной информации, используемой
в системе.
7.5.5.	Метрологическое обеспечение
Метрологическое обеспечение — совокупность работ, проектных
решений, технических и программных средств, а также различного
рода организационных мероприятий, обеспечивающих заданную
точность измерений. Метрологическое обеспечение выполняется для
информационно-измерительной системы (ИИС) на всех стадиях
создания и функционирования АСУ ТП. На стадии разработки АСУ
ТП необходимо обеспечивать единство измерений и их точность для
заданных условий эксплуатации, выбирая определенные техничес-
кие средства. Фильтрация измеряемых значений технологических
параметров и выбор достоверных значений обеспечиваются про-
граммными решениями. Разработчиками определяются виды и по-
рядок метрологической аттестации ИИС. На стадии эксплуатации
АСУ ТП метрологические службы предприятий анализируют состо-
яние метрологического обеспечения ИИС, осуществляют метроло-
гическую аттестацию заданных средств измерений, организуют по-
верку средств автоматизации.
7.5.6.	Лингвистическое обеспечение
Описание языковых средств общения оперативного технологи-
ческого персонала с управляющим вычислительным комплексом
называют лингвистическим обеспечением. Оно рассчитано на пользо-
вателя, который является специалистом в своей предметной облас-
ти, но не владеет универсальными языками программирования или
описания алгоритмов. Лингвистическое обеспечение оператора сво-
дится к системе видеокадров и текстовых сообщений, снабженных
необходимыми «меню», «подсказками» и «помощью», при органи-
зации диалога с техническими средствами.
Лингвистическое обеспечение строится на основе следующих
принципов:
•	образное представление информации и выполняемых функций;
•	иерархическая структура поиска;
634
Глава 7. Основные сведения об АСУ ТП
•	минимальное число нажатий клавиш для вызова информации;
•	интуитивно понятное кодирование информации, выводимой
оператору (например, при нормальной работе оборудования вся ин-
формация отображается зеленым цветом, при возникновении аварий-
ных ситуаций информация выдается красным мигающим цветом);
•	применение небольшого числа простых и наглядных правил,
каждое из которых имеет выраженный «технологический» смысл.
7.5.7.	Организационное обеспечение
Организационное обеспечение представляет собой совокупность
документов, регламентирующих деятельность персонала АСУ ТП и
его взаимодействие с оперативным персоналом в условиях функци-
онирования системы управления. Организационное обеспечение
предусматривает подготовку персонала АСУ ТП, его квалификацию,
знание должностных обязанностей и навыков взаимодействия с си-
стемой в процессе ее функционирования.
7.5.8.	Оперативный персонал
Оперативный персонал АСУ ТП состоит из операторов-техноло-
гов (диспетчеров), осуществляющих контроль и управление ТОУ
на основании информации и рекомендаций по управлению, выра-
ботанных в АСУ, и эксплуатационного персонала, обеспечивающего
правильность функционирования комплекса технических средств
АСУ ТП.
7.6.	надежность функционирования АСУ ТП
Надежность АСУ ТП, т. е. ее способность выполнять заданные
функции с сохранением во времени установленных значений эксп-
луатационных параметров оценивают с помощью таких показателей
надежности, как безотказность, ремонтопригодность и долговечность.
Безотказность — способность системы сохранять работоспособ-
ность в условиях эксплуатации в течение заданного времени (на-
пример, в течение года). Характеризуется наработкой на отказ от-
дельных функций, подсистем и системы в целом.
Ремонтопригодность характеризует приспособленность системы
управления к предупреждению, обнаружению и устранению отказов.
Долговечность — свойство системы управления сохранять работос-
пособность до предельного состояния; определяется факторами физи-
ческого и морального старения и задается сроком службы системы.
7.6. Надежность функционирования АСУ ТП	635
Последствиями низкого уровня надежности системы управле-
ния являются нарушения технологического режима, аварии, взры-
вы. Установление и обеспечение надлежащего уровня надежности
систем управления ТОУ химической технологии представляет собой
сложную задачу, так как в состав АСУ ТП входят многочисленные
технические (измерительные, исполнительные, вычислительные)
устройства и оперативный персонал. Избыточность системы (аппа-
ратная, информационная, временная, функциональная) позволяет
поддерживать надежность системы управления в целом выше на-
дежности отдельных подсистем и устройств.
Расчет показателей безотказности
Отказ — это событие, после которого система полностью или
частично перестает выполнять свои функции. Причины отказа: ес-
тественные процессы изнашивания и старения; дефекты, возникаю-
щие при изготовлении, монтаже, ремонте системы; нарушения пра-
вил и норм эксплуатации.
Время безотказной работы системы т должно быть выше заданно-
го значения тзд, иначе говоря, должно выполняться условие т > тзд.
Так как время безотказной работы является случайной величиной,
необходимо использовать вероятностные характеристики: р(т) — веро-
ятность безотказной работы системы (реального устройства) за
заданное время, как правило, I06 часов (функция надежности),
q(x) — вероятность отказа системы за время тзд (функция ненадеж-
ности). Очевидно, что
</(т)=1 р(т).
Характер изменения этих функций представлен на рис. 7.4. Пока-
затель надежности системы с течением времени уменьшается от 1 до 0.
Вероятность р(т) безотказной работы системы за заданное время
рассчитывают по экспоненциальной зависимости:
р (т) = е-Тзд/Тср,
Рис. 7.4. Характер изме-
нения временных функ-
ций надежности p(t) и не-
надежности системы
управления
636
Глава 7. Основные сведения об АСУ ТП
где тср — среднее время безотказной работы системы, определяе-
мое, как
т = 1/(ХА3).
Здесь Л — интенсивность отказов системы: К3 — коэффициент за-
грузки системы.
Примечание
Интенсивность отказов определяется изготовителем, как отношение
числа отказавших систем к числу систем, исправно работающих в задан-
ном интервале времени
Для выполнения даже элементарных функций управления тре-
буется несколько последовательно установленных устройств с на-
дежными характеристиками. Например, для аналоговой регистра-
ции требуются датчик, блок питания и регистрирующий прибор.
Интенсивность отказов цепочки последовательно установленных
устройств рассчитывают по формуле:
(ХА3) = £(ЛА3)., / = 1, и,
1=1
где (ЛА3), — интенсивность отказов /-го устройства с учетом коэффи-
циента загрузки этого устройства; п — число устройств в цепочке.
Для группы параллельно установленных устройств (например,
одно находится в рабочем состоянии, другое — в резервном) интен-
сивность отказов вычисляют по формуле:
(АА3) = 0,5(Х/ф
Повышение надежности систем управления
Основные методы повышения надежности систем управления:
резервирование (избыточность), предусмотренное еше на стадии раз-
работки, качественное обслуживание и ремонт на стадии эксплуата-
ции. Резервирование может быть функциональным и структурным.
Функциональное резервирование предполагает введение в систему
родственных взаимодополняющих функций, например, аналоговой
и цифровой регистрации, ручного и дистанционного управления,
контроля с помощью мониторов и показывающих приборов и т. п.
Структурное резервирование предусматривает параллельную ус-
тановку устройств для выполнения наиболее важных функций уп-
равления. Различают следующие виды структурного резервирования:
автоматическое включение резервных устройств при отказе рабочих
(«горячее» резервирование); включение заранее смонтированного
7.7. Взаимодействие оператора с техническими средствами АСУ ТП 637
резервного устройства за счет изменения коммутационных связей
(«холодное» резервирование); демонтаж неисправного устройства и
замена его резервным.
Техническое обслуживание систем управления — основной спо-
соб поддержания показателей надежности на заданном уровне в меж-
ремонтный период. Предполагает проверку по тестовым сигналам
работоспособности и метрологических характеристик отдельных уст-
ройств и каналов связи; чистку устройств, наладку и замену отдель-
ных элементов; проверку работоспособности разъемных соединений,
контактов и креплений электрических и трубных проводок.
Ремонтные работы выполняются для обеспечения или восста-
новления работоспособности средств автоматизации и состоящих в
замене и (или) восстановлении отдельных частей системы. Для пол-
ного восстановления показателей надежности необходим капиталь-
ный ремонт всех частей системы с последующей проверкой.
7.7.	ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ОПЕРАТОРА
С ТЕХНИЧЕСКИМИ СРЕДСТВАМИ АСУ ТП
В АСУ ТП на автоматические устройства возлагаются прежде
всего повторяющиеся, «рутинные» действия, связанные с достиже-
нием таких целей управления, как поддержание технологических
параметров на заданном уровне или их изменение по заданной про-
грамме, автоматическая защита по формализованным алгоритмам и
т. п., а также более сложные действия, связанные с оптимизацией
технологического процесса на различных стадиях его протекания.
На человека (оператора-технолога, диспетчера этих систем) воз-
лагаются функции, которые пока нельзя возложить на автоматичес-
кие устройства, либо автоматическое выполнение которых не оп-
равдано экономически. Кроме того, человек всегда выполняет фун-
кцию резерва на случай отказа автоматических устройств АСУ.
Комплекс помещений для работы оператора-технолога или дис-
петчера, в котором также размещается оборудование для управле-
ния технологическим процессом, называют пунктом управления.
Взаимодействие человека с техническими средствами АСУ осу-
ществляется с помощью пультов операторов-технологов, диспетче-
ров, начальников смен и т. д. Рабочие места операторов, диспетче-
ров, технологов и др., оснащенные средствами вычислительной тех-
ники для автоматизации процессов переработки и отображения
информации, необходимой для выполнения производственного за-
дания, называют автоматизированными рабочими местами (АРМ).
Пульты операторов-технологов обеспечивают выполнение сле-
дующих функций'.
638
Глава 7. Основные сведения об АСУ ТП
•	контроль технологического процесса с помощью мониторов
компьютеров, лицевых панелей ПЛК или показывающих и регист-
рирующих приборов;
•	контроль состояния технологического оборудования (клапанов
исполнительных механизмов, пускателей электродвигателей, парал-
лельно включенных агрегатов и т. д.) с помощью средств сигнализа-
ции (светодиодов на мнемосхеме, световых табло, сирен и т. д.);
•	ручное (дистанционное) или аварийное управление исполни-
тельными механизмами с помощью переключателей, тумблеров,
кнопок, блоков и станций управления;
•	регистрация технологических параметров и управленческих
действий обслуживающего персонала с помощью принтеров;
•	оперативная связь с технологическим и диспетчерским персо-
налом всех уровней с помощью компьютерных средств и телефон-
ных селекторов.
Программное обеспечение взаимодействия оператора с техни-
ческими средствами АСУ можно разделить на две группы по уров-
ню искусственного интеллекта.
В первую группу входят системы, реализующие традицион-
ные функции наблюдения и управления технологическими процессами.
1.	База данных реального времени, включающая средства приема
информации, ее обработки, архивации и отображения, представляет
собой иерархию распределенных баз данных, легко настраиваемых
на приложения. База данных может быть адаптирована для решения
практически любой задачи путем присоединения к источникам ин-
формации произвольного вида.
2.	Открытый интерфейс с внешними устройствами и програм-
мами обеспечивает связь с любыми объектами управления и мо-
ниторинга. С его помощью система подключена к базе данных,
расчетным программам, распределенным системам управления,
статистическим пакетам, картографическим системам, данным дис-
танционного зондирования, системам обработки спутниковой ин-
формации и др.
3.	Мнемосхемы создаются на основе векторной графики с эле-
ментами компьютерной графики. Мнемосхемы могут перемещаться
по экрану, причем элементы мнемосхемы могут менять цвет, фор-
му, фон, вращаться, плавно менять свое состояние и т. д., что
позволяет создавать высокоэффективные способы представления
информации. Все элементы мнемосхем являются чувствительными
зонами, воздействуя на которые оператор способен быстро и эффек-
тивно управлять работой системы и получать доступ к необходимой
информации.
4.	Предупредительная сигнализация. Система имеет развитый ап-
парат работы с предупредительной сигнализацией, отображаемой
7.7. Взаимодействие оператора с техническими средствами АСУ ТП 639
различными способами, включая генерируемые меню, цветные пик-
тограммы, элементы анимации.
5.	Графики. В системе хранится история поведения параметров
во времени, которая выводится на экран дисплея в виде графиков.
На графиках выдаются пределы, соответствующие предупредитель-
ной сигнализации, что позволяет оператору более эффективно кон-
тролировать процесс и принимать управляющие решения до момен-
та возникновения предупредительной сигнализации.
6.	Панели управления предназначены для ввода управляющих воз-
действий. Панели настраиваются на конкретный вид объектов; на
них размещены кнопки, поля ввода с клавиатуры, линейки ввода и
другие элементы, при помощи которых оператор может быстро и
эффективно управлять сложными объектами.
Вторую группу составляют экспертные системы (ЭС). В их
функции входит интеллектуальная поддержка человека-оператора при
управлении процессами. В частности, ЭС применяются для диагно-
стики, логического анализа событий, прогноза поведения техноло-
гического процесса во времени и др. ЭС основаны на качественной
модели физических процессов, описываемых в символах, схожих с
понятиями, применяемыми человеком. Качественная модель, рабо-
тая синхронно с реальным технологическим процессом, анализиру-
ет его поведение, определяя, какие причинно-следственные связи
между явлениями проявляют себя в каждый момент времени. Вос-
становленные связи запоминаются в базе данных. В режиме кон-
сультации с ЭС оператор может получить информацию о причинах
отклонений параметров процесса от нормы, срабатывании автома-
тики и т. п. Вместе с тем качественная модель позволяет решать
задачу прогноза. В этом случае оператор может запросить ЭС о ве-
роятных последствиях событий: управляющих воздействий, неисп-
равностей, аварий и др.
Одной из функций ЭС является режимная диагностика, пред-
назначенная для помощи оператору в решении основных задач ана-
лиза технологического процесса:
•	первая задача — оценка в реальном масштабе времени правиль-
ности протекания технологического процесса и определение техно-
логических параметров, отклонившихся от номинальных значений;
•	вторая задача — оперативное выявление мест и причин откло-
нений технологических параметров от их номинальных значений
(собственно диагностика);
•	третья задача — идентификация источника неисправностей
путем отнесения его к следующим трем видам: неисправность от-
дельных элементов технологической системы, неправильное функ-
ционирование системы управления, ошибочные действия оператора.
640
Глава 7. Основные сведения об АСУ ТП
Дополнительная информация
Искусственный интеллект — это одно из направлений информатики,
целью которого является разработка аппаратно-программных средств, по-
зволяющих пользователю ставить и решать интеллектуальные задачи пред-
метной области, общаясь с ЭВМ на ограниченном естественном языке.
Термин «искусственный интеллект» {artificial intelligence) был предложен в
США в 1956 году. Слово intelligence означает «умение рассуждать разумно»,
а вовсе не «интеллект» (intellect). Методы искусственного интеллекта пред-
полагают не численное решение задач, а символьное. В связи с чем возни-
кают такие задачи? Например, требуется выяснить причины останова агре-
гата на нефтеперерабатывающем заводе или спланировать проведение орга-
нического синтеза. Ни один специалист в такой ситуации не примется сразу
решать систему дифференциальных уравнений или делать запрос для базы
данных, поскольку вначале идет анализ обстановки, и мы «рассуждаем», а
не вычисляем. Появляется необходимость в составлении программ, помо-
гающих рассуждать. В основе составления таких программ лежат методы
науки, называемой искусственным интеллектом. Одним из разделов ее яв-
ляются экспертные системы. Экспертные системы или системы, использу-
ющие знания, созданы для получения рекомендаций, информации или для
решения проблем. Они могут работать на том же уровне, что и эксперты,
или даже лучше, потому что в них вложен коллективный опыт их создате-
лей. Экспертная система состоит из трех главных компонентов:
•	базы знаний о фактах и эвристиках (правилах);
•	машины решения и вывода;
•	подходящей системы контакта человека с машиной.
База знаний (БЗ) содержит знания в символьной форме. Основное со-
держание базы знаний: факты и эвристики (правила). Например, для сис-
темы управления технологическим процессом в состав фактических зна-
ний входят описание предприятия, технологических процессов, характери-
стики оборудования, измерения значения технологических параметров,
получаемые отдатчиков, химический состав и количество сырья, запасов и
т. д. Эвристики (правила) пути вынесения суждений на основании фак-
тов для решения конкретной проблемы. Для системы управления техноло-
гическим процессом знания содержат, например, такой набор правил: ког-
да требуется профилактический или капитальный ремонт производства,
оборудования; каким должен быть объем запасов (сырья, реагентов, метал-
ла и т. д.) исходя из текущих цен; правила диагностики неисправностей и
рекомендации по их устранению и т. д.
Машина решения и вывода — формально-логическая система, реализо-
ванная в виде программы и позволяющая логически выводить необходи-
мую для пользователя информацию исходя из сведений, размещенных в
БЗ, и информации, поступающей от пользователя в БЗ.
Подходящая система контакта человека с машиной', интерактивные си-
стемы строятся с помощью «меню» и операций, управляемых специальны-
ми клавишами, указателя «мыши» и пиктограмм, изображающих техноло-
гические схемы, резервуары, насосы, вентили и т. д.
Пример применения ЭС: биологический реактор для выращивания
клеток в суспензии. Графический интерфейс включает изображение реак-
тора, нескольких питателей и соответствующих регулирующих клапанов,
индикаторов включения и выключения нагревателей и холодильников.
Экспоненциальный рост клеток в суспензии может быть подавлен в ре-
зультате воздействия одного из нескольких факторов: понижения или по-
7.8. Примеры систем управления в химической промышленности 641
вышения температуры, снижения концентрации питательных компонен-
тов, изменения pH раствора или появления загрязнений. Экспертная ин-
формация, зафиксированная в эвристиках (правилах) БЗ, обеспечивает воз-
можность диагностики нескольких вариантов неудовлетворительной рабо-
ты системы (включая вышеназванные) и выполнения корректирующих
операций. ЭС позволяет устанавливать причины отклонений параметров
от их номинальных значений и предпринимать корректирующие действия:
регулировать температуру или pH в реакторе, добавлять или уменьшать
питание для клеток, заменять загрязненную суспензию и т. д.
7.8. ПРИМЕРЫ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ
В ХИМИЧЕСКОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ
7.8.1.	АСУ ТП подготовки нефти
В нефтедобывающей и нефтеперерабатывающей промышленно-
сти на установках первичной подготовки нефти, стабилизации газо-
вого конденсата, термохимических установках используется один и
тот же принцип построения АСУ — двухуровневая АСУ ТП.
На нижнем уровне АСУ ТП происходит сбор, обработка инфор-
мации и индикация технологических параметров, таких как темпе-
ратура, давление, уровень, расход. Сбор информации осуществляет-
ся датчиками. В виде аналоговых сигналов информация поступает
на входы микропроцессорного многофункционального контроллера
с развитыми средствами самодиагностики, сигнализации и иденти-
фикации неисправностей.
Для измерения температуры применяются датчики температу-
ры: термометры сопротивления медные ТСМ (градуировка 50М) и
термометры сопротивления платиновые ТСП (градуировка 100П).
Сигналы с выхода датчиков температуры подаются на промежуточ-
ные преобразователи и дальше в виде токового унифицированного
сигнала 0...5 мА на входы контроллера.
Для измерения давления и расхода применяются датчики типа
«Сапфир ДД», а для измерения уровня — датчики типа «Сапфир ДУ».
Сигналы с выхода датчиков подаются на промежуточные преобра-
зователи (блок преобразования сигнализации и питания) и дальше в
виде токового сигнала 4...20 мА на входы контроллера.
Информация с объектов управления поступает также в виде дис-
кретных сигналов (сигнализация о предельных значениях уровней и
давлений, информация о работе или останове двигателей и т. д.).
Информация, поступающая на входы контроллера, преобразует-
ся в цифровой код и обрабатывается, включая’
•	считывание информации с аналоговых и дискретных входов
контроллера;
21 Беспалой А. В.. Харп iohob Н. II.
642
Глава 7. Основные сведения об АСУ ТП
•	сравнение поступивших сигналов с заданными и с предельно
допустимыми значениями технологических параметров;
•	формирование управляющих сигналов и сигналов аварийной
сигнализации, защиты и блокировки.
На объектах в основном применяется аналоговое регулирова-
ние. Электрические управляющие сигналы контроллера 4...20 мА,
преобразуются с помощью электропневмопреобразователей в пнев-
матические сигналы 20... 100 кПа, которые подаются на пневмати-
ческие исполнительные механизмы.
Контроллеры объединены в локальную вычислительную сеть
(ЛВС), что позволяет им обмениваться информацией между собой,
а также с устройствами верхнего уровня АСУ ТП, в данном случае с
ПЭВМ. Программирование контроллеров может осуществляться либо
с помощью пульта настройки, либо с помощью ПЭВМ.
На верхнем уровне АСУ ТП основную работу выполняют ПЭВМ
со специально разработанными для этого программами. Широкое
применение на объектах нефтедобывающей и нефтеперерабатываю-
щей промышленности нашли пакеты программ «АРМ оператора-
технолога».
Пример структурного решения АСУ ТП установки для подго-
товки нефти приведен на рис. 7.5.
Объектами управления установки комплексной подготовки не-
фти (УКПН) являются следующие технологические блоки: резерву-
ары, насосы, теплообменники, отстойники, нефтегазосепараторы,
подогреватели, печи, электродегидраторы, конденсаторы-холодиль-
ники и ректификационные колонны.
Каждый из этих технологических блоков имеет различные мо-
дификации: по размерам, исполнению (горизонтальное, вертикаль-
ное), типу подогрева (огневой или паровой), режимным показате-
лям (температура, давление) и т. д. Как объект управления каждый
технологический блок имеет свою типовую группу параметров кон-
троля и управления и, соответственно, свой типовой набор датчи-
ков, исполнительных механизмов, преобразователей, блоков пита-
ния и т. д.
Сигналы с датчиков каждого технологического блока группиру-
ются и распределяются на уровне контроллеров по типу, назначе-
нию, связи с определенными событиями, оборудованием или стади-
ями технологического процесса и т. д.
АСУ ТП подготовки нефти является сложной системой. УКНП
производительностью 2...4 млн тонн нефти в год, кроме перечис-
ленных основных типовых технологических блоков, имеет в своем
составе также очистные сооружения, факельное хозяйство, узел прес-
ной воды, насосную производственно-дождевых стоков, блочную
котельную и т. д. С каждого такого объекта сигналы поступают или
7.8. Примеры систем управления в химической промышленности
643
Рис. 7.5. Пример АСУ ТП подготовки нефти:
1 — диспетчерская; 2 — операторская; 3 — АРМ-1; 4 — АРМ-2; 5 —
модемы; б — двухпроцессорная система; 7 — контроллеры; 8 — блок
питания; 9 — компьютер системы измерения уровней; 10 — АРМ узла
учета нефти; / печи, отстойники, теплообменники и сепараторы, кон-
денсатосборники с насосом, очистные сооружения, первая ступень се-
парации, система измерения уровней, блоки насосных; II — дренажная
емкость, насосная откачки очищенных стоков, площадка блока дозиро-
вания деэмульгатора, факел, установка коммерческого учета нефти, на-
сосная нал артезианской скважиной, насосная производственно-дожде-
вых стоков: III — сооружения пожаротушения, котельная
на отдельно стоящий контроллер, или на контроллер, находящийся
в операторской.
Кроме режима сбора и контроля параметров по технологичес-
ким заданиям в современных АСУ ТП подготовки нефти важную
роль играют режимы дистанционного и автоматического управле-
ния и регулирования. Дистанционное управление осуществляется
исполнительным механизмом по команде оператора с компьютера.
Автоматический режим управления технологическим процессом ре-
ализуется с помощью двух групп алгоритмов. Группа алгоритмов
21*
644
Глава 7. Основные сведения об АСУ ТП
логического или импульсного управления применяется при автомати-
ческом пуске и останове насосов, вытяжных вентиляторов, откры-
тии и закрытии шаровых регулирующих органов. Группа алгорит-
мов автоматического регулирования используется для формирования
управляющих воздействий в контурах регулирования таких парамет-
ров, как уровни продуктов, межфазные уровни, давление и расход
нефти.
При разработке алгоритмов автоматического регулирования не-
обходимо решить следующие вопросы:
•	взаимосвязи контуров регулирования для ситуаций, когда изме-
нение одного технологического параметра влечет изменение другого;
•	учета нелинейного характера ТОУ;
•	выбора шага дискретизации.
Для решения этих вопросов применяются методы математичес-
кого и физического моделирования.
Ужесточение требований к качеству подготовки нефти, а также
к организации экологического мониторинга увеличивает количество
технологических блоков в современных УКПН. Это приводят к уве-
личению числа параметров контроля и управления, что усложняет
АСУТП. Например, общее количество сигналов ввода-вывода сред-
ней АСУ ТП комплексной подготовки нефти сейчас достигает
400...700, включая 30...50 контуров регулирования и дистанционно-
го управления Из-за сложности и взрывоопасности УКПН созда-
ние современных АСУ ТП разрешается только организациям, име-
ющим соответствующие лицензии Госгортехнадзора РФ.
Разработка сложного проекта АСУ ТП требует много времени,
если отсутствуют готовые и проверенные структурные и аппаратно-
программные проектные решения для каждого уровня АСУ ТП.
Аппаратные проектные решения для основных технологических бло-
ков УКПН разрабатываются в виде схем автоматизации:
•	нижнего уровня АСУ ТП (рис. 7.6) (датчики, средства индика-
ции, исполнительные устройства, контроллеры);
•	уровня контроллеров (микроЭВМ, устройства ввода-вывода, се-
тевые контроллеры, модули памяти, модули интерфейса и др.);
•	уровня АРМ оператора (ПЭВМ, мониторы, клавиатуры, прин-
теры, модемы, мыши, сетевые контроллеры и концентраторы).
Прикладное программное обеспечение обоих верхних уровней
создается с помощью единой системы SCADA.
Для контроллеров разрабатываются типовые прикладные про-
граммные решения в виде алгоритмов автоматического регулирова-
ния для отдельных технологических блоков УКПН. Для АРМ опе-
ратора формируется типовое представление многих технологичес-
ких блоков как на экране монитора в виде мнемосхем, так и в базе
каналов.
7.8. Примеры систем управления в химической промышленности 645
Рис. 7.6. Регулирование уровня в отстойнике
Пуск и наладка АСУ ТП подготовки нефти осуществляется в два
этапа:
•	испытания АСУ ТП в режиме сбора и контроля параметров со
всех технологических блоков УКПН;
•	испытания АСУ ТП в режиме дистанционного и автоматичес-
кого управления и регулирования.
Обучение специалистов начинается уже при монтаже и испыта-
ниях АСУ Т.П и продолжается на работающей системе по мере ее
ввода в действие.
Для обучения операторов-технологов навыкам оперативного ком-
пьютерного управления качеством получаемой на выходе УКПН не-
фти разработан аппаратно-программный тренажер. Он представляет
собой двухмашинный комплекс, где на одном компьютере установ-
лено программное обеспечение АРМ оператора, а на втором модели-
руются различные аварийные ситуации или рассчитываются на моде-
лях зависимости параметров качества нефти от изменений темпера-
туры и давления в технологических блоках автоматизированной УКПН.
7.8.2. АСУ ТП в производстве минеральных удобрений
Рассмотрим производство фосфатов аммония. Эти соединения
являются продуктами нейтрализации ортофосфорной кислоты ам-
миаком:
Н3РО4 + «NH3 —> (NH3)„H3PO4.
646
Глава 7. Основные сведения об АСУ ТП
Для производства минеральных удобрений используют только
моноаммонийфосфат NH4H2PO4 и диаммонийфосфат (NH4)2HPO4;
присутствие других солей в продукте нежелательно вследствие их
высокой кислотности или нестабильности при повышенных темпе-
ратурах.
Последовательность технологических стадий производства ор-
тофосфатов аммония (аммофос, диаммофос) приведена на рис. 7.7.
Конечное значение мольного отношения NH3 : Н3РО4 составляет
-1,0 в производстве аммофоса и -1,75 в производстве диаммофоса.
Упаривание пульпы и сушка готового продукта не являются обяза-
тельными стадиями процесса.
Схема регулирования нейтрализации и донейтрализации фос-
форной кислоты аммиаком в двух последовательно соединенных
реакторах представлена на рис. 7.8. В первом реакторе происходит
нейтрализация фосфорной кислоты до pH -2,5, во втором реакторе —
до pH -4,5 при температуре 100... 105 °C. Температуру в реакторах
поддерживают с помощью регуляторов 5 и 6, воздействуя на испол-
нительные устройства /5 и 16 полачи пара, подаваемого на обогрев
реакторов.
Расход фосфорной кислоты, подаваемой в реактор 1, измеряю!
расходомером 12 и стабилизируют регулятором 13, воздействующим
на исполнительное устройство 17. Концентрацию фосфорной кис-
лоты определяют по плотности раствора плотномером /7, а расход
фосфорной кислоты (с учетом ее концентрации) — блоком умноже-
Готовый продукт
Рис. 7.7. Технологические стадии производства фосфатов аммония
7.8. Примеры систем управления в химической промышленности 647
Рис. 7.8. Схема регулирования стадий нейтрализации и донейтрализации
фосфорной кислоты аммиаком. Пояснения см. в тексте
ния 14. Системой автоматического регулирования предусмотрено ре-
гулирование соотношения расходов фосфорной кислоты и аммиака
в каждый из реакторов 1 и 2 с помощью регуляторов соотношения
расходов 7 и 8 путем воздействия на исполнительные устройства 18 и 19
с коррекцией соответственно от регуляторов pH пульпы (.? и 4) на
выходе первого и второго реактора. Давление в реакторах 1 и 2 из-
меряют измерительными устройствами 9 и 10.
В подавляющем большинстве производств аммофоса использу-
ется барабан грануляционный, сушильный (БГС).
Процесс осуществляется по схеме, представленной на рис. 7.9.
Возможна одноступенчатая нейтрализация фосфорной кислоты ам-
миаком, когда пульпа после аммонизации в скоростном аммониза-
торе-испарителе (САИ) при температуре 90... 100 °C поступает в БГС.
При двухступенчатой нейтрализации пульпу после аммонизации в
САИ до мольного отношения NH3 : Н3РО4 ~1,3 нейтрализуют фос-
форной кислотой (например, в трубчатом реакторе) при температу-
ре ПО...120 °C. В БГС аммофосную пульпу с помощью форсунок
распыляют сжатым воздухом под давлением 0,2...0,4 МПа на завесу
из падающего гранулированного материала. Теплоносителем явля-
ются продукты сгорания топлива, которые поступают в БГС при
температуре 500...600 °C. Гранулы аммофоса из БГС при температу-
ре 105... НО °C подают на классификацию и охлаждение, а отходя-
щие газы, содержащие пыль аммофоса, аммиак и фтор, при темпе-
ратуре 110... 115 °C направляют в систему очистки.
648
Глава 7. Основные сведения об АСУ ТП
В атмосферу
Рис. 7.9. Технологическая схема производства гранулированного аммо-
фоса с аппаратом БГС:
1 — сборник кислоты; 2 — САИ; 3 — сборник пульпы; 4 — БГС; 5 —
грохот; 6 — холодильник; 7 — абсорберы; 8 — циклоны; 9 — дробилки;
10 — транспортер; 11 — элеваторы; 12 — сборники
Производство аммофоса с аппаратом БГС можно охарактеризо-
вать как сложное, непрерывное, многостадийное, малоретурное. Для
производства аммофоса характерно наличие агрессивных сред, за-
пыленности, загазованности, вибрации (например, из-за вращения
БГС) и т. д.
Примечание
Ретур (от франц, retour возврат, рециркуляция) — возврат части про-
дукта обратно в процесс.
На рис. 7.10 приведена принципиальная структурная схема АСУ
ТП производства аммофоса, построенная на базе современной мик-
ропроцессорной техники: предусмотрено резервирование оператор-
ских станций и адаптивное интеллектуальное управление.
Резервирование операторских станций повышает надежность АСУ,
обеспечивает спокойную рабочую обстановку, позволяющую выпол-
нять производственные программы. В производстве аммофоса не
должно быть невосстанавливаемых в течение 120 с отказов АСУ ТП.
Если таковые возникают, они проводят к аварийным ситуациям.
Именно с учетом специфики производства аммофоса реализовано
резервирование операторских станций, включающих АРМ скорост-
ным аммонизатором-испарителем (САИ), АРМ трубчатым реакто-
Т.8. Примеры систем управления в химической промышленности
649
Рис. 7.10. Структурная схема АСУ ТП производства гранулированного
аммофоса
ром (ТР) и барабаном грануляционным сушильным (БГС), АРМ
системами абсорбции и охлаждения (АБС). При отказе одного АРМ
оператор-технолог, используя модуль резервирования, может пере-
вести управление на любое другое АРМ. «Живучесть» управления
производством аммофоса сохраняется даже при одновременном от-
казе двух АРМ, если третье АРМ работоспособно. Резервирование
распространяется также на системы противоаварийной защиты, све-
товой и звуковой сигнализации.
Подсистема адаптивного интеллектуального управления. Современ-
ные АСУ ТП представляют собой сложные дорогостоящие системы,
эффективность которых зависит от качества реализации непосред-
ственного цифрового управления (НЦУ), удобства работы, опера-
тивности реакции в системе человек—операторская станция, защи-
ты ХТП от некорректных действий оператора-технолога. АСУ ТП
должна достаточно точно моделировать объект и быстро устранять
ошибки регулирования.
Адаптивное интеллектуальное управление производством аммо-
фоса является современным применением НЦУ, которое стало воз-
можным благодаря появившимся высокопроизводительным контрол-
650
Глава 7. Основные сведения об АСУ ТП
лерам и ПЭВМ. Гибкое и эффективное программное обеспечение
SCADA-систем создает условия зарождения технологии искусствен-
ного интеллекта и основы для развития и тиражирования современ-
ных методов управления.
Для реализации регулирования в программном обеспечении име-
ются как неадаптивные, так и адаптивные модули. На практике хи-
мики-технологи все время сталкиваются с ситуациями изменения
нагрузок на технологическое оборудование, проявления нелинейно-
сти зависимостей между входными и выходными параметрами. Тех-
нологические параметры не могут быть измерены точно из-за нали-
чия систематических и случайных погрешностей средств измере-
ния. Кроме того, оказывают свое влияние контролируемые и
неконтролируемые возмущающие воздействия, происходит старение
первоначальной априорной информации. Использование же даже
простейших адаптивных модулей в АСУ ТП позволяет добиться ка-
чества управления, близкого к оптимальному
На рис. 7.11 приведена блок-схема беспоисковой адаптивной интел-
лектуальной системы управления в производстве аммофоса. Важное до-
стоинство беспоисковых самоорганизующихся систем — отсутствие
поисковых движений (принудительного изменения технологических
параметров с целью определения оптимального технологического
Рис. 7.11. Блок-схема беспоисковой адаптивной интеллектуальной систе-
мы управления
7.8.	Примеры систем управления в химической промышленности 651
режима), являющихся источником помех и приводящих к колеба-
ниям технологических параметров. Использование адаптивных ал-
горитмов дает возможность быстро выводить технологический про-
цесс на требуемый режим и изменять управляющие воздействия
одновременно для всех связанных контуров регулирования.
Рассмотрим назначение некоторых блоков данной системы уп-
равления.
Блок логико-математической модели выполняет:
•	идентификацию по определенным алгоритмам переменных со-
стояния ТОУ;
•	сравнение при помощи наблюдателя состояния результатов иден-
тификации с хранящимися в базе знаний технологическими образа-
ми (эталонами, априорной информацией);
•	выдачу кода распознанного состояния в оптимизатор-модифи-
катор для принятия управляющих решений.
Примечание
Метод распознавания образов — раздел теории адаптивных систем уп-
равления в теории автоматического регулирования. Рассмотрение этого
метода выходит за рамки данной книги.
Результатом идентификации ТОУ является формализация мате-
матических и логических связей между входными и выходными пе-
ременными При этом используются уравнения химических реак-
ций, материальные и тепловые балансы, логические связи между
дискретными состояниями технологического оборудования.
Предварительная проверка адекватности математических моделей
ТОУ проводится блоком логико-математической модели, своеобраз-
ном «отладчике», структурно включающем в себя блок наблюдателя
состояния объекта, оптимизатор-модификатор, блок подстройки стан-
дартного ПИД-регулятора, а окончательная — в ходе эксплуатации.
Оптимизатор-модификатор определяет необходимость подстройки
коэффициентов связи в математической модели при изменении ал-
горитмов в стандартном ПИД-регуляторе. Автоматическая подстройка
математической модели необходима в тех случаях, когда нарушает-
ся линейность математических зависимостей, включаются или вык-
лючаются из работы отдельные параллельно работающие техноло-
гические линии Ручная подстройка математических моделей вы-
полняется высококвалифицированным персоналом КИПиА при
старении исходной априорной информации: изменении свойств
сырья, требований к качеству продукции.
Адаптивный интеллектуальный переключатель режимов цифрового
управления обеспечивает:
•	управление ТОУ в ручном дистанционном или автоматичес-
ком режимах;
652
Глава 7. Основные сведения об АСУ ТП
•	безударное переключение режимов с ручного управления на
автоматическое управление, и наоборот;
•	ПИД-регулирование в нормальных и экстремальных условиях
работы;
•	организацию простых одноконтурных и сложных схем комби-
нированного управления с использованием логико-математических
моделей.
Назначение блока подстройки стандартного ПИД-регулятора —
модифицировать алгоритм стандартного ПИД-регулятора и изме-
нять параметры его настройки Кр, Т„, ТП.
Превращение стандартного линейного ПИД-регулятора в моди-
фицированный нелинейный с использованием разных вариантов
нелинейной модификации позволяет плавно изменять регулируе-
мый параметр при изменении задания, исключает перерегулирова-
ние и обеспечивает повышенное быстродействие в тех случаях, ког-
да стандартный регулятор плохо справляется с устранением ошибки
регулирования.
Необходимость изменения параметров настроек стандартного
ПИД-регулятора распознается наблюдателем состояния, передается
как признак в оптимизатор-модификатор, а далее в блок подстрой-
ки стандартного ПИД-регулятора.
Иногда целесообразно использовать схему с двумя исполнитель-
ными устройствами для грубого и точного регулирования. В некото-
рых случаях такая схема способна обеспечить более точное управ-
ление, чем регуляторы с нечеткой логикой или адаптивные само-
настраивающиеся регуляторы.
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1.	Назовите основные функции промышленных АСУ ТП.
2.	Какие существуют разновидности АСУ ТП?
3.	Каковы режимы действия распределенных систем управления?
4.	Что входит в обеспечение АСУ ТП?
5.	Как определяется надежность АСУ ТП?
6.	Как осуществляется взаимодействие человека-оператора с техни-
ческими средствами АСУ ТП?
7.	Приведите примеры промышленных АСУ ТП.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В начале всякой философии лежит
удивление, ее развитием является иссле-
дование, ее концом — незнание.
Мишель Монтень
Наука о системах управления играет ключевую роль во всех об-
ластях деятельности человека и общества, в том числе и в развитии
химической промышленности. Мы вкратце рассмотрели основы
систем управления ХТП. Огромное многообразие химико-технологи-
ческих процессов, их многостадийность, быстродействие, взаимосвязь
с окружающей средой и уникальность как объектов управления пре-
допределяет многообразие решений при построении систем управле-
ния, как в области технических средств управления, диагностики
объектов управления, прогнозирования возможных технологических
ситуаций, так и в самой стратегии управления. Совершенно очевид-
но, что современные СУ ХТП немыслимы без информационных
технологий.
На вопрос о том, как будет выглядеть техническое, программ-
ное, математическое обеспечение СУ ХТП в будущем, ответить весьма
непросто.
Динамично развивающиеся технологии микросистем и наноси-
стем могут привести к революционным преобразованиям в прибо-
ростроении.
Прогресс микросистемной техники начался с разработки про-
мышленной технологии объемного жидкостного травления кремния
для формирования мембран, струн, балок для чувствительных эле-
ментов датчиков давления, вибрации и ускорения. Кремний исполь-
зуется уже не только как полупроводниковый, но и как конструкци-
онный механический материал
Затем была создана технология формирования объемных струк-
тур с использованием синхронного излучения, гальванического осаж-
дения и прецизионного литья полимерами, получившая название
LIGA-технология (L1GA — аббревиатура немецких слов: litographie —
литография, galvanoformung — гальванообработка, abformung — прес-
сование).
Интеграция на кристалле кремния достижений в области элект-
роники, механики, информатики и измерительной техники привела
к объединению этих технологий и созданию «микросистемной тех-
ники».