Технические САУ, Петухов И.В., Стешина Л.А

Условные обозначения приборов и средств автоматизации на функциональных схемах автоматизации, а также сопровождающие их примеры приведены в разделе 15.

Раздел 16 посвящен применению современных средств связи и систем отображения информации. В нем представлены варианты организации индивидуальных и коллективных систем отображения информации.

Вразделе 17 дана информация о программном обеспечении систем автоматизации, приведена классификация программного обеспечения, описаны основные SCADA-пакеты.

Вразделе 18 представлены современные подходы к организации человеко-машинных систем управления с точки зрения обеспечения их надежности и производительности, обозначены мероприятия по комплексному обеспечению надежности и безопасности человеко-машинных систем.

Разделы 1–4, 10–12, 17 написаны кандидатом технических наук, доцентом Л. А. Стешиной; разделы 5–9, 13–16, 18 – кандидатом технических наук, доцентом И. В. Петуховым.

11

ВВЕДЕНИЕ

Современный уровень развития производства предполагает активное внедрение средств автоматизации, обеспечивающей повышение производительности и надежности.

При этом нормальный ход различных технических процессов может быть обеспечен лишь тогда, когда те или иные величины, характеризующие эти процессы, удовлетворяют определенным условиям. Необходимость поддержания постоянства той или иной величины или изменения ее в соответствии с каким-либо законом возникает в различных областях техники. Сами объекты, в которых протекают процессы, часто не обеспечивают их нормального хода, то есть не могут устранить отклонения режима, вызванного различными причинами. Поэтому такие объекты снабжаются управляющим или регулирующим органом.

Методологической базой управления и регулирования является теория автоматического управления. Современная теория автоматического управления располагает совершенным математическим аппаратом, позволяющим на основе уравнений, описывающих характер автоматизируемого процесса, выбрать систему управления, отвечающую всем необходимым требованиям.

Техническая же реализация получения информации об объекте управления, реализация закона управления и формирование управляющих командных воздействий обеспечивается техническими средствами автоматизации и управления.

Имеется широкий ряд практических приемов и рекомендаций, позволяющих выбирать средства автоматизации, и прежде всего регуляторы для конкретных производственных условий, на основании известных или специально определяемых динамических характеристик объекта регулирования.

Основная задача синтеза систем, решаемая методами современной теории автоматического управления, – определение ее структуры и параметров на основе требований качества процес-

12

сов регулирования. При этом под синтезом системы автоматического управления понимается направленный расчет, имеющий конечной целью отыскание рациональной структуры системы и установление оптимальных величин параметров ее отдельных звеньев.

Синтез можно трактовать как пример вариационной задачи и рассматривать такое построение системы, при котором для данных условий работы (управляющие и возмущающие воздействия, помехи, ограничения по времени работы и т. п.) обеспечивается теоретический минимум ошибки.

Согласно другому подходу, синтез – инженерная задача, сводящаяся к такому построению системы, при котором обеспечивается выполнение технических требований к ней, что не исключает оптимизацию системы по определенным критериям с точки зрения существующих конкретных условий и требований к габаритам, весу, простоте, надежности и т. п.

Иногда под инженерным синтезом понимается синтез, имеющий целью определение вида и параметров корректирующих средств, а также введение дополнительных средств автоматизации и управления, которые необходимо добавить к некоторой неизменяемой части системы (объект с управляющим устройством), чтобы обеспечить требуемые динамические качества.

В любом случае инженерный синтез подразумевает совершенное владение теорией автоматического управления, методами математического и имитационного моделирования, а также глубокие теоретические знания и развитые навыки практического использования типичных средств автоматизации и управления.

13

1. СОВРЕМЕННЫЕ ТЕНДЕНЦИИ РАЗВИТИЯ АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ КОМПЛЕКСОВ

ИУПРАВЛЯЮЩИХ СИСТЕМ

1.1.Понятие производственной системы

Любая готовая продукция рождается в рамках технологической производственной системы (ПС), определяемой как совокупность элементов, настолько тесно связанных между собой, что она выступает по отношению к другим системам и окружающей среде как нечто единое. Связь между элементами системы должна быть гораздо более прочной, чем связь каждого из этих элементов с частями других систем. Соблюдение этого условия отличает всякую целостную систему от простого объединения каких-либо элементов.

Производственная система имеет сложную, многоуровневую, иерархическую структуру, которая преобразует исходные полуфабрикаты сырья или материалов в конечный продукт, отвечающий потребительским требованиям рынка.

Основой любого производства является технологический процесс (TП) – определенное взаимодействие орудий и предметов труда, обслуживающей и транспортной систем, в результате чего выпускается продукция, отвечающая заданному критерию качества.

Перемещение предметов труда от одной стадии обработки к другой можно представить как рабочий материальный поток в производственном пространстве.

По характеру материального потока технологические процессы делят на два типа: непрерывные и дискретные.

В непрерывных технологических процессах материальный поток, проходящий через технологическое оборудование, является неразрывным.

Для дискретных ТП характерна выходная продукция в виде изделий, исчисляемых в штуках. Исходные компоненты преобра-

14

зуются циклически, и готовая продукция выпускается партиями. Каждый цикл получения выходного продукта или партии включает в себя время, затрачиваемое на приведение технологического оборудования в исходное состояние, т. е. невозвратимо потерянное. Соответственно используемым ТП производство принято делить на три основных типа: непрерывное, дискретное и непре- рывно-дискретное.

Кнепрерывным производствам можно отнести большинство предприятий химической, нефтеперерабатывающей, энергетической промышленности. Продукция таких производств – вещество или энергия, а параметры технологических процессов – непрерывные величины: давление, концентрация и др.

Кдискретным производствам относятся предприятия машиностроения, приборостроения и т. п. Материальный поток здесь дискретен, а производственный процесс характеризуется дискретными параметрами: числом изготавливаемых изделий, наличием заготовок на складах и операциях, числом бракованных изделий. Операции обработки также дискретны, так как имеют начало и конец. Информационный поток, отражающий ход дискретного производства, также имеет дискретный характер. К непрерывно-дискретным производствам, сочетающим особенности первых двух типов производства, относятся производства металлургической, пищевой, полиграфической, цементной промышленности и др.

На первом (нижнем) уровне комплексной системы автоматизации (рис. 1.1) функционируют контуры управления отдельными производственными агрегатами, работу которых контролируют операторы с помощью пультов управления.

Поведение этих агрегатов задается производственной программой, а также обусловливается их взаимодействием со средой. При этом имеют место технологические критерии функционирования локальных объектов: точность обработки, точность поддержания технологических параметров и режимов, интегральные

15

критерии качества продукции. Информация о ходе производственного процесса поступает на главный сервер сети, с которого производственные данные попадают на рабочие станции контроля и станции связи с предыдущими этапами ТП.

Рис. 1.1. Комплексная многоуровневая система автоматизации технологического процесса

На втором (среднем) уровне управления в соответствии с плановым заданием и приоритетом производства продукции распределяется работа между технологическими агрегатами первого уровня в зависимости от их исправности, обеспеченности материалами и полуфабрикатами, производится оперативное планирование и управление работой первого уровня и составляется отчет об исполнении работ. Работа этого уровня оценивается по результатам выполнения планового задания.

16

Третий уровень управления производственной системой охватывает координацию работы отдельных участков различных видов производства и реализацию плановых заданий в целом, а также работы по подготовке производства, включая проектирование самих изделий, технологических процессов, технологической оснастки и управляющих программ для локальных объектов управления, анализируются связи с поставщиками, конъюнктура рынка, прогнозируется выпускаемая в будущем номенклатура изделий. На этом уровне управления действуют экономические критерии качества.

На всех уровнях управления соответствующие задачи решаются как с помощью технических средств, так и с использованием интеллектуальных и физических возможностей производственного персонала. Одним из важных показателей качества системы является ее производительность, повышению которой на протяжении всей истории развития ПС уделялось большое внимание. Требование высокой производительности сохраняется и для ПС, ориентированных на мелкосерийное и индивидуальное производство, в связи с необходимостью сокращения цикла разработки и изготовления новых изделий.

Объем и качество производимой в ПС продукции определяется всеми уровнями управления, но производится она непосредственно на технологическом уровне в результате взаимодействия трех компонентов: рабочей среды, инструмента и человека, который либо непосредственно выполняет работу, либо управляет инструментом, иногда сложным.

Существуют две основные тенденции в построении ПС: стремление к организации рабочей среды и адаптация к среде при управлении оборудованием. Примером соответствующей организации среды и достижения при этом высокой производительности являются автоматические роторные и роторно-конвейерные ли-

нии, создание которых – одно из основных направлений ускорения технического производственного прогресса. В этих линиях

17

весь технологический процесс изготовления изделия от исходной заготовки до упаковки готовой продукции осуществляет система автоматических многооперационных роторных машин, соединенных между собой межоперационными транспортными устройствами (транспортные роторы). Соблюдение технологической дисциплины в таких производственных линиях поддерживается автоматической системой регулирующих и управляющих устройств и требует высокой культуры всего производства.

Альтернативой организации среды является адаптация к ней. При этом речь идет об адаптации ПС на всех уровнях управления. Однако оперативно решить вопросы адаптации могут лишь специально организованные высокопроизводительные системы, обладающие средствами автоматизированного получения, обработки и передачи информации. Такие ПС появились как отклик производства на быстро изменяющиеся запросы рынка. Только использование развитой информационной и вычислительной техники, успешно работающей в условиях производства, позволяет обеспечить адаптационные возможности ПС в целом и в частности технологических машин. В таких системах обслуживающий персонал освобождается от переработки формализуемой информации и выступает как субъект, принимающий основные решения, которые часто не поддаются формализации.

Для решения задач как организации среды, так и адаптации к среде требуются большие затраты. Поэтому при разработке и реализации ПС в каждом конкретном случае следует оценивать целесообразность вложения денег в организацию среды (понимая под этим не только организацию среды производства, но и организацию среды потребления) или в увеличение адаптационных возможностей ПС. В настоящее время при таком выборе приходится учитывать ограниченность природных ресурсов, необходимость защиты окружающей среды от загрязнения и резкое увеличение разнообразия человеческих потребностей, технико-экономичес-

18

кую обоснованность. Это часто приводит к тому, что отдают предпочтение второй тенденции развития ПС.

Адаптационные возможности производственных систем направлены на приспособление к среде и противостояние старению. Поведение системы зависит не только от управляющих и возмущающих воздействий, но и от неизвестных значений коэффициентов уравнений, описывающих систему. Адаптивная система управления способна выполнять свои функции качественно при изменениях свойств объекта под действием окружающей среды. Такой способ адаптации называется самонастройкой.

Другим способом адаптации является установление системой между ее переменными или переменными среды таких функциональных связей, которые позволяют уменьшить отклонения выполняемых системой функций от заданных значений. Этот способ приспособления называется обучением или самообучением.

Таким образом, система может обладать двумя способами адаптации к среде: самонастройкой и самообучением.

1.2.Эволюция автоматизированных комплексов

ипроизводственных систем

Внедрение средств вычислительной техники позволило эффективно осуществить идею цифрового управления технологическим оборудованием, которая нашла практическое воплощение в первую очередь в машиностроительном производстве, в частности при разработке систем управления металлообрабатывающими станками. Станки с устройствами числового программного управления (УЧПУ) появились в конце 60-х годов XX века и превратились в важнейший вид высокоэффективного металлорежущего оборудования. Этому способствовала достигаемая на этих станках возможность их быстрой переналадки на обработку любой детали в пределах технической возможности станка, т.е. воз-

19

можность гибко перестраивать технологический процесс в механообработке. Это очень важно при автоматизации мелкосерийного производства.

В1970-1980 гг. осуществлялись попытки повышения производительности технологического оборудования путем группировки агрегатов в автоматизированные комплексы и приближения их по производительности к поточным линиям. В основу таких комплексов была положена возможность гибкой перестройки технологии обработки, по которой любая заготовка (в пределах возможностей комплекса) может быть введена в этот комплекс и обработана по требуемой технологии. Изготовление в таком комплексе деталей широкой номенклатуры тесно связано с вопросами участия человека в этом процессе, с реализацией «безлюдной технологии».

Понятие «безлюдная технология» не означает, что человек не участвует в производстве, но предусматривает длительное функционирование оборудования в автоматическом режиме (одна-две смены). Чтобы реализовать «безлюдную» гибкую технологию обработки, необходимо автоматизировать все процессы переналадки оборудования. При работе на обычном станке с ЧПУ рабо- чий-оператор загружает заготовки на станок, удаляет обработанную деталь, устанавливает инструмент в шпиндель, подбирает нужный инструмент, меняет приспособления крепления детали, включает станок, контролирует качество детали, наблюдает за работой оборудования. Исключение этих функций из обязанностей оператора высвобождает его для многостаночного обслуживания и повышает долю основного времени обслуживания станка, обеспечивая рост производительности производства.

Впоследнее время наметилась тенденция оснащения производственного оборудования специальными загрузочными устройствами в виде универсальных или специализированных робототехнических комплексов (РТК) с локальной системой управления. Это позволяет получить более гибкое сопряжение обрабатываю-

20