Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
50
1 Характеристика системы химической водоочистки
промышленных сбросов и выбор направления ее автоматизации
1.1 Характеристика технологических процессов и оборудования
Известен способ осветления технологической воды и шахтного притока, включающий: транспорт гидросмеси из забоев в пульпосборник; аккумуляцию пульпы и гравитационное осаждение твердых частиц в пульпосборнике; перепуск осветленной воды из пульпосборника в водосборник путем перелива: откачку технологической воды из водосборника на поверхность; очистку пульпосборника и водосборника от шлама скреперами, погрузочными машинами, вручную.
Недостатком этого способа является необходимость 100%-го резерва звеньев технологической схемы водоотлива на период очистки пульпосборника или водосборника, что требует больших капитальных затрат.
Известен способ осветления технологической воды, отличающийся от первого тем, что очистка пульпосборника и водосборника проводится гидравлическим способом с помощью углесосов, гидроэлеваторов или эрлифтов.
Недостатками этого способа являются: низкая производительность гидравлических машин, которая требует обустройства пульпоперекачных камер на промежуточных горизонтах, что ведет к большим капитальным затратам; высокий расход электроэнергии, который для водоотлива составляет 18-25% от общего расхода горного предприятия; загрязнение отстойников и окружающей среды на поверхности.
Известен способ, применяемый на шахтах Японии, включающий: транспорт гидросмеси из забоев; механическое отделение горной массы на шпальтовых дуговых ситах; аккумуляцию технологической воды и гравитационное осаждение шлама в багер-зупфе; перепуск воды переливом в водосборник; выгрузку шлама из багер-зумпфа ковшевым конвейером; выдачу воды из водосборника на поверхность насосами.
Небольшой объем багер-зумпфа и наличие движущегося ковшевого конвейера создают в нем большую турбулентность, препятствующую осаждению шлама, который попадает в водосборник.
Известен способ, включающий: транспорт гидросмеси; механическое отделение горной массы на вибрационных установках и шпальтовых ситах; аккумуляцию технологической воды в приемной секции водосборника, которая сбрасывается по касательным к боковой поверхности радиальной секции, что обеспечивает осаждение и сгущение взвешенных твердых частиц в ее центре и возврат шлама на обезвоживание насосом; перепуск воды переливом в основной водосборник; подачу воды из водосборника в забои углесосами.
Недостатком этого способа является большая турбулентность в приемной секции, препятствующая осаждению мелких взвешенных частиц.
Наиболее близким техническим решением, принятым за прототип, является способ осветления технологической воды с механизированной очисткой, включающий: транспорт гидросмеси в отстойник, гравитационное осаждение в нем твердых частиц; выдача осевшего шлама на погрузку пластинчатым конвейером; выравнивание скоростей и перераспределения потоков жидкости в отстойнике с помощью поперечных и продольных перемычек, перепуск воды переливом из отстойника в водосборник, откачку технологической воды на поверхность.
Недостатком этого способа является наличие в пульпосборнике пластинчатого конвейера и устройства выравнивания скоростей, создающие большие турбулентные потоки и препятствующие осаждению шлама из-за разнонаправленного движения потока воды по горизонтали и выпадающего в осадок шлама по вертикали.
Разработанный на кафедре экологии и естествознания при НФИ ГОУ ВПО “КемГУ” способ отличается от описанных способов тем, что повышена интенсивность осаждения шлама в водосборниках, ускорено осветление воды для повторного использования, снижены энергозатраты при выдаче подземных вод на поверхность и трудоемкость работ по очистке подземных водосборников.
Способ реализуется в три этапа, в равномерно движущемся потоке воды по длине пути осаждения частиц, на первом этапе в зоне пульпоприема производится выделение плавающих посторонних предметов для исключения их попадания в транспортные механизмы, на следующих этапах интенсифицируется процесс естественного осаждения твердых взвешенных частиц различной крупности и удельного веса, а на последнем этапе аккумулируется осветленная вода перед выдачей ее на поверхность или для повторного использования.
Технологическая вода, содержащая твердые частицы и шахтный приток, по желобам поступает в водосборник, где интенсифицируется процесс естественного осаждения твердых частиц по ходу их движения в три этапа.
На первом этапе осветления в зоне пульпоприема производится отделение плавающих предметов (например, пиломатериалов) для исключения их попадания в транспортные механизмы за счет остановки верхнего слоя воды ограждающими поперечными перегородками, установленными в верхней части водосборника у зеркала воды. При движении нижней части потока в зоне пульпоприема происходит осаждение крупных частиц.
На втором этапе процесс естественного осаждения частиц средней крупности интенсифицируется за счет перепуска потока через тонкослойные, осветляющие технологическую воду перегородки, на которых аккумулируются частицы твердого и направляются в донную часть водосборника, оснащенную системой механизированной очистки, с транспортирующим механизмом.
На третьем этапе интенсификация естественного процесса осаждения мелких взвешенных частиц производится обработкой воды за счет ее перепуска через поперечную съемную фильтрующую перегородку кассетного типа с наполнителем, интенсифицирующим процесс осаждения (например, металлическая стружка). После осветления воды на предыдущих трех этапах поток направляется к водозабору, дно которого выполнено с минимально не очищенной донной поверхностью, где устанавливаются всасы насосов.
Для интенсификации процесса очистки перегородок от налипших мелких частиц в процессе их осаждения они соединяются с вибрирующим транспортным механизмом механизированной очистки дна водосборника.
Осветленная технологическая вода насосами откачивается из шахты на поверхность или повторно подается в забой, осевший шлам выгружается транспортным механизмом в выпускное окно на основной транспортный конвейер, чем достигается полная механизированная очистка водосборника. Интенсивное осаждение шлама и осветление воды достигаются за счет снижения скорости движения взвешенных частиц в полном объеме водосборника, величина которого достигает в реальных условиях 1000-1500 м3, что производится совмещением пульпосборника с водосборником и обеспечением перепуска воды по принципу сообщающихся сосудов через зазоры для прохода скребков конвейера и установкой перегородок различного типа, способствующих удлинению пути движения частиц в различных направлениях.
На кафедре экологии и естествознания разработан способ брикетирования илов и шламов сточных вод заключается обезвоживание осадка сточных вод, дозирование компонентов, их смешивание и прессование брикетов или гранул, отличающийся тем, что ил и шлам сточных вод, обезвоженные до влажности 20-30%, смешивают с, в % масс.: гашеной известью - 3, опилками и/или измельченными древесными отходами, и/или соломой - 27, золой – уноса ТЭЦ и/или измельченным шлаком котельных - 20, перемешивают, полученную массу брикетируют и/или гранулируют под давлением 60-100 кг/см2, а брикеты и/или гранулы с влажностью 10-15% обрабатывают в течении 3-4 минут в печах СВЧ и пакуют в водонепроницаемую тару.
Процесс будет протекать следующим образом:
Рисунок 1.1.1- Технологическая схема процесса брикетирования:
1– подсистема транспортировки шлама; 2– накопительный, фильтрующий бункер; 3– дозатор добавок; 4 – дозатор связующего; 5 – смеситель; 6 – брикетировочный пресс; 7- подсистема транспортировки брикетов.
Характеристика дозаторов приведена ниже.
Дозаторы – устройства для автоматического отмеривания (дозирования) заданной массы или объема твердых сыпучих материалов, паст, жидкостей, газов. Дозаторы обеспечивают выдачу дозы одного или нескольких продуктов (соответственно одно- и многокомпонентные дозаторы) одному или разным потребителям (соответственно одно- и многоканальные дозаторы); изменяют кол-во компонентов в заданном соотношении с изменяющимся количеством других дозируемых компонентов (дозаторы соотношения); дозируют вещества в заданной временной или логической последовательности (программные дозаторы). Блок управления каждого дозатора – автоматического регулятор. Наиболее эффективность использования дозатора достигается, если регулятором или его основой служат микро-ЭВМ или мини-ЭВМ, позволяющие компенсировать влияние внеш. возмущающих воздействий (напр., параметров технологического режима процесса), вести дозирование по заданной программе, удобно представлять информацию оператору и передавать результаты дозирования (напр., общий объем прошедшего продукта) на следующий уровень управления.
Объемные дозаторы применяют для дозирования газов, жидкостей, паст, реже твердых сыпучих материалов. Дозы от долей см3 до сотен (тысяч для газов) м3, производительность от менее чем см3/ч до тысяч м3/ч (для газов – десятков тысяч), погрешность от 0,5 до 10-20%. Эти дозаторы просты по конструкции, достаточно надежны. Недостатки: зависимость объема дозы от температуры и давления (особенно для газов), значительная погрешность при дозировании пенящихся сред.
Дозаторы дискретного действия в простейшем случае состоят из одной калиброванной емкости, снабженной датчиком уровня, двух клапанов на входе в емкость и выходе из нее (для повышения точности и производительности дозаторы могут иметь несколько разных по объему емкостей) и блока управления - двухпозиционного автоматического регулятора. Погрешность до 1,5%. Наименьшие погрешность и габариты имеют дозаторы дискретного действия (рисунок 1.1.2) на основе объемных счетчиков продукта (роторы - лопастные, с овальными шестернями, винтовые и др.). Угол поворота ротора, соответствующий объему прошедшего продукта, преобразуется в сигнал, поступающий в блок управления, который вычисляет общий объем прошедшего продукта, сравнивает его с заданием и формирует сигнал на прекращение подачи продукта.
Рисунок 1.1.2 – Объемный дозатор дискретного действия на основе счетчика жидкости: 1 счетчик; 2 датчик; 3 блок управления; 4-6 вентили.
Для повышения точности дозирования при достижении 90-95% дозы вентиль 4 закрывают, а расход продукта уменьшают в 4-5 раз с помощью вентиля 5. Для стабилизации или программного изменения расхода блок управления определяет и устанавливает требуемый расход посредством вентиля 6. Дозы от 1 дм3 до десятков м3, погрешность 0,5-1,5%. Для надежной работы таких дозаторов дозируемую среду тщательно очищают от твердых и газообразных примесей, не допускают кристаллизацию или полимеризациюпродуктов в полостях счетчиков, для вращения ротора создают достаточный перепад давлений между входом и выходом дозаторов. При дозировании в емкости (реакторы), работающие под давлением, равным или превышающем давление среды на входе в дозаторы, а также для дозирования вязких и пастообразных продуктов применяют дозаторы на основе насосов вытеснения (поршневых, плунжерных, шестеренчатых, диафрагменных). При равенстве задания и фактическойдозы блок управления отключает насос, перекрывая поток продукта, показывает и регистрирует величину дозы. Диапазон последней от 1 см3 до сотен дм3, минимальная погрешность 1-3%, давление продукта на выходе дозатора до сотен кПа. В дозаторах малой производительности (единицы см3/ч) продукт вытесняется с помощью газа или инертной жидкости (рисунок 1.1.3). При открытом вентиле 4 и закрытом вентиле 5 в случае опускания сосуда 2 емкость 1 заполняется дозируемым продуктом. Для выдачи дозы закрывается вентиль 4 и открывается вентиль 5. При этом сосуд 2 поднимается, что обеспечивает вытеснение части продукта из емкости 1.
Рисунок 1.1.3 – Объемный микродозатор на основе вытеснения дозы: 1 емкость; 2 напорный сосуд; 3 привод; 4,5 вентили; 6 блок управления.
Дозаторы непрерывного действия состоят из расходомера (например, индукционного), регулятора и запорного органа (вентиль, задвижка), блока управления и информации. Заданный расход обеспечивается благодаря изменению гидравлического сопротивления регулятора по сигналу от блока управления, в к-ром определяется также общий объем прошедшего продукта. Запорный орган прекращает его подачу при достижении заданного объема. Дозы от 1 см3 до тысяч м3, точность поддержания расхода в пределах от 1,5- до 2-кратной точности расходомера. Наряду с дозаторами на основе расходомеров используют дозаторы в виде емкости с дозируемым продуктом, на выходе к-рой установлено постоянное гидравлическое сопротивление (диафрагма, спираль, лента, капилляр и т. п.). Стабильность расхода достигается поддержанием уровня или соответствующего давления в емкости.
Весовые дозаторы применяют для дозирования твердых сыпучих материалов, реже –жидкостей. Дозы от нескольких грамм до сотен килограмм, производительность от сотен до десятков т/ч, погрешность дозирования от 0,1 до 0,5%. Из дозаторов дискретного действия наиболее распространены в химической промышленности такие, в которых загружаемая емкость установлена на силоизмерительных преобразователях – тензометрических или платформенных весах. Сигнал от преобразователя 2 (рисунок 1.1.4) поступает в блок управления 3, с помощью которого автоматически взвешивается емкость 1 и формируется команда для управления устройствами загрузки 4 и выгрузки 5. В открытых емкостях с жидкостями массу продукта при дозировании определяют по пропорциональной ей высоте слоя жидкости. Достоинство таких дозаторов - компактность датчиков давления; недостаток - необходимость предварительной градуировки (определение зависимости гидростатическогодавления от веса продукта в емкости).
Рисунок 1.1.4 – Весовой дозатор дискретного действия: 1 - емкость; 2 - силоизмерительный преобразователь; 3 - блок управления; 4, 5 - устройства загрузки и выгрузки.
В дозаторах непрерывного действия регулируется скорость потока материала или площадь поперечного сечения его слоя. Схема одного из таких дозаторов представлена на рис. 1.1.5, а. Дозируемый материал поступает на силоизмерительный транспортер. Вес материала на ленте, пропорциональный производительности дозатора, измеряется силоизмерительным преобразователем и сравнивается в регуляторе с сигналом задания. В результате устройство 7 вырабатывает корректирующий сигнал, регулирующий высоту слоя материала на ленте.
Рисунок 1.1.5 – Весовые дозаторы непрерывного действия с регулированием высоты слоя материала на ленте (а) и скорости потока материала (б): 1 - привод; 2 - заслонка; 3 - бункер; 4, 6 - силоизмерительные транспортер и преобразователь; 5 - электродвигатель; 7 - регулятор; 8 - питатель.
На рис. 1.1.5, б показана схема дозатора с регулируемой скоростью потока материала. Дозируемый материал поступает на силоизмеритель транспортер через питатель. Сигналы задания и расхода подаются в регулятор, который вырабатывает корректирующий сигнал на привод питателя, увеличивая или уменьшая скорость потока материала. Регулирование потока материала можно осуществлять также изменением скорости движения самого весоизмерительного транспортера.
1.1.1 Процессы коагуляции и схемы их автоматизации Коагуляция − это слипание частиц коллоидной системы при столкновениях в процессе теплового движения, перемешивания или направленного перемешивания во внешнем силовом поле. В результате коагуляции образуются агрегаты более крупные (вторичные) частицы, состоящие из скопления мелких (первичных) частиц. Первичные частицы в таких агрегатах соединены силами межмолекулярного взаимодействия непосредственно или через прослойку окружающей (дисперсной) среды. Коагуляция сопровождается прогрессирующим укрупнением частиц и снижением их общего числа в объеме дисперсной среды. Слипание однородных частиц называется гомокоагуляцией, а разнородных гетерокоагуяцией.
Производственные сточные воды в большинстве случаев представляют собой слабоконцентрированные эмульсии или суспензии, содержащие коллоидные частицы размером 0,003 −0,1 мкм, мелкодисперсные частицы 0,1 −10 мкм, а также частицы размером 10 мкм и более. В процессе механической очистки сточных вод достаточно хорошо удаляются частицы размером 10 мкм и более, мелкодисперсные и коллоидные частицы практически не удаляются. Таким образом, сточные воды многих производств после сооружений механической очистки представляют собой агрегативно устойчивую систему. Для их очистки применяются методы коагуляции: агрегативно устойчивая система при этом нарушается, образуются более крупные агрегаты частиц, которые удаляются из сточных вод механическими методами. Одним из видов коагуляции является флокуляция, при которой мелкие частицы, находящиеся во взвешенном состоянии, под действием специально добавляемых веществ (флокулянтов) образуют интенсивно оседающие рыхлые скопления.
При коагуляции в обрабатываемые стоки вводятся специальные реагенты, при взаимодействии которых с водой образуется новая малорастворимая высокопористая фаза, как правило, гидроксидов железа или алюминия. Происходит также соосаждение тяжелых металлов, по свойствам близких к вводимому в раствор коагулянту. Этот метод широко распространен в водоподготовке.
Образующиеся хлопья размером 0,5–3,0 мм и плотностью 1001–1100 г/л имеют очень большую поверхность с хорошей сорбционной активностью. В процессе ее образования и седиментации в структуру включаются взвешенные вещества (ил, клетки планктона, крупные микроорганизмы, остатки растений и т. п.), коллоидные частицы и та часть ионов загрязнений, которые ассоциированы на поверхности этих частиц.
В качестве коагулянтов обычно используют соли слабых оснований – железа и алюминия – и сильных кислот: Fe2(SO4)3, FeCl3, FeSO4, Al2(SO4)3, AlCl3. При растворении они гидролизуются. Взаимодействуя с гидроксильными ионами, содержащимися в сточной воде в результате электролитической диссоциации последней, эти соли образуют нерастворимые фазы. В воде накапливаются катионы водорода, в результате чего раствор приобретает кислую реакцию.
Высокомолекулярные флокулянты обычно подразделяют на три группы: активная кремниевая кислота, природные флокулянтыили получаемые из растительного сырья (крахмал, эфиры, альгинат натрия и т.д.), синтетические органические полимеры(ПАА, полиоксиэтилен, полиакрилаты, полиэтиленимин и др.).
Активная кремниевая кислота (АК) – это коллоидный раствор кремниевой кислоты или ее труднорастворимых солей, то есть это высокомолекулярный неорганический полиэлектролит анионного типа. АК – не стандартный продукт, готовится на станциях перед употреблением. Сырьем для ее приготовления является жидкое стекло – водный раствор силиката натрия mNa2O∙nSiO2, где m/n – модуль жидкого стекла.
Большую группу флокулянтов составляют высокомолекулярные вещества растительного и животного происхождения. К этой группе относятся крахмал, декстрин, желатин, эфиры целлюлозы, альгинат натрия и гуаровые смолы. Преимущество флокулянтов природного происхождения заключается в отсутствии у них токсических свойств и полной безвредности для организма человека.
Некоторые флокулянты (крахмал, альгинаты и гуаровые смолы) выделяют непосредственно из растений. Эфиры целлюлозы, включая карбоксиметилцеллюлозу, декстрин и другие производные крахмала, получают путем химической переработки природных продуктов. При переработке получают разнообразные флокулянты с различными функциональными группами, электрическими свойствами, молекулярными массами.
К синтетическим флокулянтам относятся водорастворимые полимеры, получаемые из продуктов химической и нефтехимической промышленности. Наибольшее распространение получили полиакриламид, полиоксиэтилен, натриевые соли и эфиры полиакриловой и полиметакриловой кислот, поливинилпиридин, сополимеры малеинового ангидрида и винилацетата, полимеры на основе стирола.
Применение синтетических флокулянтов для очистки воды разрешается санитарными органами только после всестороннего их обследования и проверки.
Из катионных флокулянтов наибольшее применение получили: полиэтиленимин, содержащий первичные, вторичные и третичные аминогруппы, флокулянты, содержащие группы четвертичного аммониевого основания (ВА-2, ВА-112, ВПК-101) и др.
Из анионных флокулянтов наибольшее применение получил ПАА –технический полиакриламид. Применяют два сорта технического ПАА: известковый и аммиачный.
При использовании флокулянтов амфотерного типа по-прежнему остаются незаменимыми природные соединения, представленные веществами белковой природы (желатин, казеин). Использование их в технологии сточных вод сдерживается из-за высокой дефицитности белковых продуктов. В последние годы была показана возможность использования в качестве флокулянтов белковых веществ, полученных путем плазмолиза активного ила и кормовых дрожжей.
В качестве флокулянтов довольно широко используются также низкомолекулярные органические соединения – ПАВ различных типов.
Необходимость автоматического регулирования количества вводимых реагентов при коагуляции обусловливается тем, что в процессе обработки воды, с одной стороны, изменяется качественный и количественный состав загрязнений, с другой концентрации рабочих растворов реагентов, стабилизация которых представляет собой весьма сложную задачу. В этих условиях весьма трудно поддерживать заданные дозы реагентов устройствами с ручным управлением, не имея к тому же перед глазами приборов, контролирующих характерные параметры.
Несмотря, на то что коагуляция уже давно и широко применяется для обработки воды с различными целями, еще не найден параметр, который мог бы в полной мере характеризовать процесс коагуляции. При введении в воду коагулянтов изменению подвергается целый ряд качественных показателей: изменяется солевой состав дозы, и в частности содержание сульфатов и хлоридов, - электропроводность, снижается величина рН, увеличиваегся мутность. Однако эти физико-химические показа- I! тели в отдельности в большинстве случаев не могут служить критериями для определения оптимальной дозы коагулянта, кроме того не каждый из них может быть измерен. Из-за сложности измерения не используется наиболее объективный показатель коагуляции r-потенциал, которым обладают заряженные частицы" взвеси и коллоидов.
Число принципов, на которых могут быть построены САР подачи коагулянтов для сточных вод, меньше, чем при подготовке питьевой воды. Так, например, при коагулировании сточных вод практически исключено применение САР, построенных на базе кондуктометрических датчиков, так как солесодержание сточных вод высокое и переменное во времени. Нельзя использовать датчики, действующие на принципе центробежного моделирования процесса осаждения скоагулированной взвеси и поз воляющие найти оптимальную дозу коагулянта, поскольку они применяются только в осветлителях со взвешенным осадком.
Все системы автоматического дозирования коагулянтов в лучшем случае позволяют непрерывно поддерживать заданную дозу коагулянта, заранее определенную пробным коагулированием, ни одна из них не способна устанавливать оптимальную дозу коагулянта, так как не связана с качественными параметрами процесса коагулирования.
В связи с этим для регулирования процессов очистки сточных вод до сих пор применяют лишь системы объемно-пропорционального дозирования коагулянтов, осуществляющие подачу коагулянта в определенном соотношении с расходом обрабатываемой воды. Это соотношение (доза) задаётся по результатам лабораторных- анализов. Подобные САР строятся на базе расходомеров воды и раствора коагулянта и регуляторов, обеспечивающих заданное соотношение расходов. Расходомер для раствора коагулянта часто заменяется регулирующим клапаном или иным регулирующим органом с линейной расходной характеристикой, а также насосом-дозатором. По такому же принципу строятся САР подачи растворов полиакриламида и других флокулянтов. Процесс подщелачивания воды, которое часто оказывается необходимым при коагуляции, можно автоматически регулировать по достаточно объективному показателю — заданной величине рН.
Все системы автоматического дозирования коагулянтов в лучшем случае позволяют непрерывно поддерживать заданную дозу коагулянта, заранее определенную пробным коагулированием, при этом ни одна из них не способна устанавливать оптимальную дозу коагулянта, так как не связана с качественными параметрами процесса коагуляции. В связи с этим для регулирования процессов очистки сточных вод до сих пор применяют лишь системы объемно-пропорционального (порционного) дозирования коагулянтов, осуществляющие подачу коагулянта в определенном соотношении с расходом обрабатываемой воды. Это соотношение (доза) задается по результатам лабораторных анализов. Таким образом, полностью автоматизированный процесс коагулирования сточных вод может состоять из трех автономно действующих САР: подачи коагулянта, подачи флокулянта, подачи щелочи; кроме того, они могут быть дополнены системой автоматизации операций, связанных с приготовлением рабочих растворов реагентов и, в частности, стабилизации их концентраций.
1.2 Постановка задачи автоматизации процессов коагуляции в условиях постоянно действующих возмущений
Компенсация постоянно действующих возмущений (ПДВ) технологических объектов управлений (ТОУ) в условиях неполноты и погрешностей их контроля и ограничений на ресурсы управления является алгоритмически сложной задачей. К задачам такого рода относится компенсация колебаний показателей химсостава и качества сточных вод и коагулянтов, ошибок их дозирования в системах водоочистки, колебания влажности и гранулометрического состава шлама, поступающего на брикетирование, ошибки дозирования связующих и разжижителей (!?) и т.п.
Сущность принципа управления по возмущению заключается в том, что управляющие воздействия формируются в зависимости от величины одного или нескольких внешних воздействий на ТОУ.
Модель СУ по возмущению приведена на рисунке 4.
Рисунок 1.2.1 – Модель системы управления «по возмущению»
Ниже приводится характеристика принятых на рисунке и далее по тексту терминов и определений.
Внешнее воздействие - воздействие внешней среды, не зависящее от структуры, параметров и качества функционирования системы управления ( не поддающееся изменению средствами системы управления, на которую это воздействие поступает ).
Опорный (базовый) уровень внешнего воздействия - заданное или расчетное (например, среднее) значение внешнего воздействия, соответствующее базовому (заданному, опорному) режиму функционирования системы управления.
Возмущение (возмущающее воздействие) - отклонение фактических значений внешнего воздействия от базового (опорного) уровня, нарушающее нормальный ход функционирования системы. Эффект действия возмущения на объект проявляется обычно в виде отклонения регулируемой выходной величины от задания.
Контролируемое возмущение - возмущение, информация о котором доступна с известной погрешностью измерения и преобразования.
Эквивалентное входное возмущение - суммарный эффект комплекса контролируемых возмущений, выраженный в масштабе управляющего воздействия или какого-либо возмущения, выбранного в качестве ведущего (основного) из исходного комплекса.
Компенсирующее управляющее воздействие - воздействие, вырабатываемое управляющей системой, и направленное на устранение (компенсацию) нежелательных эффектов действия возмущения на объект управления.
Тренд (тенденция) - направление развития какого-либо процесса. В данном случае (имеется ввиду тренд контролируемого возмущения) – составляющая контролируемого возмущающего воздействия с заданными свойствами.
Остатки - разность между фактическими значениями возмущающего воздействия и оценками его тренда.
Управление по возмущению основано на принципе компенсации возмущений и является первым принципом автоматического управления. При таком принципе управления управляемый параметр не изменяется, а используется только информация о внешнем воздействии. При этом определяют основное возмущающее воздействие и устанавливают, как необходимо изменять управляющее воздействие на объект управления, чтобы значение управляемых параметров поддерживать неизменным. Принцип управления по возмущению заключается в том, что для устранения отклонения вектора выходных параметров от требуемого значения, вызываемого возмущающим воздействием, измеренная величина этого возмущения преобразуется в управляющее воздействие, которое будучи приложено к ОУ, вызывает компенсирующее отклонение управляемой величины противоположного знака по сравнению с отклонением, вызываемым возмущающим воздействием.
1.2.1 Постановка задачи компенсации возмущений как инвариантной системы управления
Под инвариантностью понимается достижение полной (абсолютной) или частичной (с определенной точностью) независимости регулируемой величины от действующего на объект возмущения путем компенсации его влияния управляющими воздействиями [5].
Из определения следует, что подход к построению инвариантных систем характеризуется требованием минимизация ошибки регулирования на выходе объекта (абсолютно или в пределах заданного диапазона колебаний), обусловленной действием учитываемых возмущений.
Критерий качества управления для инвариантных систем с абсолютной точностью:
, (6)
где – критерий качества управления для инвариантных систем с абсолютной точностью, – внешнее возмущение на управляемую величину, – компенсирующее возмущение, – интервал оптимизации.
Критерий качества управления для инвариантных систем с частичной или интервальной точностью:
, (7)
где - критерий качества управления для инвариантных систем с частичной точностью, - заданный диапазон колебания управляемой величины.
Условия физической реализуемости инвариантности системы соответствуют условиям гашения (компенсации) возмущения.
Если ограничения на ресурсы управления отсутствуют, возмущение может быть полностью скомпенсировано на входе объекта, и выходная величина объекта будет абсолютно независима (инвариантна) от учитываемого возмущения.
В реальных ситуациях (при ограниченных ресурсах управления) речь может идти лишь о частичной инвариантности, что физически выражается в отклонениях регулируемой величины от задания под действием нескомпенсированных «остатков» возмущения.
Необходимые ресурсы на компенсацию входных возмущений для указанного выше критерия зависят, очевидно, от динамических характеристик объекта, на который эти возмущения поступают, точнее – от его фильтрующих способностей. Понятно, что инерционный объект управления сглаживает (фильтрует) какие-то высокочастотные составляющие возмущения, и на их компенсацию энергию управляющих воздействий можно не расходовать.
Для инерционных объектов компенсации подлежат не фактические значения возмущающего воздействия, а его сравнительно медленно изменяющаяся составляющая (тренд или тенденция), свойства которого определяются инерционностью объекта управления.
Именно поэтому в структуре регулятора для компенсации контролируемых возмущений инерционных объектов предусматривается сглаживающий фильтр для выделения тренда возмущения. Можно считать, что этот фильтр является моделью объекта.
Эффективная память сглаживания исходных сигналов для объектов с моделями в виде инерционного звена первого порядка находится из соотношения
(1)
где ТИН – поднастраиваемая или неизменная постоянная времени инерции преобразующего канала.
Кроме того, экономия ресурсов имеет место при интервальной, а не абсолютной, точности регулирования. В реальных производственных ситуациях достаточным является поддержание отклонений выходной величины от задания в некотором диапазоне колебаний, например, установленном техническими условиями на качество продукции.
1.2.2 Постановка задачи компенсации возмущений в оптимальных системах
Главной отличительной чертой оптимальных систем управления по возмущению является учет в явном виде ресурсов на управление – в виде ограничений или в виде дополнительной составляющей критерия, характеризующей энергию управляющих воздействий и затраты энергии на их реализацию [3, 4], а также будущих значений действующих возмущений.
За критерий функционирования системы принимается условие минимизации затрат на компенсацию возмущений при выполнении некоторых ограничений на отклонение выходной величины от задания под влиянием нескомпенсированных остатков возмущения, например:
, (2)
где - управляющее воздействие на контролируемую величину, - затраты на управление, , - нижняя и верхняя границы ограничений на отклонения выходной величины соответственно.
В более строгой постановке задачи используется скаляризованный весовыми коэффициентами и двухкомпонентный критерий вида
(3)
или
(4)
минимизирующий совместно с ошибкой регулирования абсолютный уровень или энергию управляющих воздействий.
Адекватной техникой оптимального управления при постоянно действующих возмущениях является система, содержащая модель, имитирующую в увеличенном масштабе времени поведение объекта при заданном прогнозе возмущения [3, 4]. Построение таких систем управления с прогнозирующими моделями приводит к необходимости решения ряда проблем, среди которых важнейшими являются проблемы идентификации и синтеза прогнозирующей модели в увеличенном масштабе времени при нестационарности или априорной неопределенности характеристик объекта управления, оценка текущего состояния объекта, когда его выход не контролируется или контролируется редко, проблема прогноза возмущений.
Таким образом, в дополнение к инвариантной оптимальная система управления должна включать блок прогноза эффективной составляющей действующего на объект случайного возмущения на весь (от t0 до Topt ) или усеченный интервал оптимизации, а также прогнозирующую модель объекта по каналу «возмущение-выход» для организации контура модельной обратной связи, когда выход объекта управления не контролируется или контролируется редко.
Существует два основополагающих принципа оптимальных систем управления: принцип упреждающей компенсации возмущений и принцип временной симметрии (или принцип достаточного прогноза).
Сущность принципа упреждающей компенсации состоит в том, что оптимальные компенсирующие воздействия являются функцией будущих значений возмущений.
Сущность принципа достаточного прогноза состоит в том, что для широкого класса систем управления, относящихся к системам конечной памяти, достаточен прогноз внешних возмущающих воздействий лишь на глубину, не превышающую время памяти данной системы. Анализ этого явления позволил сформулировать его в виде неизвестного ранее фундаментального свойства этого класса оптимальных систем управления с возмущениями – принцип временной симметрии.
Из сути принципа временной симметрии следует, например, что тренды входных воздействий инерционных объектов соответствуют в общем случае двухстороннему (в прямом на интервале и обращенном на интервале времени) сглаживанию входных сигналов на скользящем временном интервале конечной длительности (памяти) с определяющим вкладом их будущих значений. Численное значение зависит от параметров динамических характеристик и выбранного критерия функционирования системы управления.
Эффективная память сглаживания и, соответственно, интервал прогнозирования исходных сигналов для объектов с моделями в виде инерционного звена первого порядка, находится из соотношения (8).
К такому классу объектов относится, например, система водоочистки, модель которой с точки зрения компенсации возмущений по объему и качеству сточных вод, химсоставу и ошибкам дозирования коагулянтов может быть представлена выражением вида:
, (5)
где W(p) – передаточная функция каналов регулирования рассматриваемого класса; k – коэффициент усиления; T, 1, 2 – постоянные времени. Инерционным звеном с запаздыванием в данной модели аппроксимируются процессы транспортировки сточных и очищенных вод и собственно очистки (коагуляции), а интегральным звеном с отсечкой аппроксимируются процессы заполнения емкости сточными водами.
К этому же классу инерционных объектов с запаздыванием, подверженных постоянно действующим возмущениям, относятся процессы брикетирования отходов водоочистки в условиях постоянно меняющейся влажности шламов, двух и более управляющих воздействий с противоположными эффектами влияния на качество и выход готового продукта, ошибок дозирования компонентов формовочной смеси.
Для оптимальных систем компенсации возмущений существует проблема оценивания составляющей (тренда) и остатков возмущений, удовлетворяющих целому ряду условий, а именно:
1.3 Обзор и обоснование выбора ПТС для реализации программы САУ Коррекция
Заказчиком сформулированы требования по реализации АСУ ТП очистки сточных вод на базе специального оборудования (пульты, локальные САУ дозаторов со спец. ПО и т.д.).
Однако более эффективные, универсальные и перспективные решения, по нашему мнению, могут быть получены на основе SCADA – систем.
Отечественная и международная практика предлагает для построения эффективного человеко-машинного интерфейса новейшие системы диспетчерского управления и сбора данных —- SCADA системы .
Для всех разработчиков характерно стремление создать открытые SCADA - программы для систем управления производством, расширить сервисные возможности для тех, кто занят его комплексным обновлением.
Общее для SCADA-систем — автоматизированная разработка, позволяющая создать специализированное прикладное программное обеспечение (ППО) пультов операторов и диспетчеров без реального программирования, средства регистрации сигналов об аварийных ситуациях, хранения информации и ее постобработки, визуализации информации в виде графиков, гистограмм и т.д.
Для нынешнего рынка SCADA-систем показателен поворот в сторону использования в качестве платформы операционной системы МS Windows NT.
Высокая степень интеграции систем автоматизации в свою очередь диктует необходимость продуманного уровня сетевого сервиса, качества технической поддержки SCADA-систем, а значит, инжиниринга и менеджмента проектов.
Немаловажное значение приобретает «открытость» новых систем, возможность адаптировать пакет с минимальными затратами под конкретные нужды производства.
Назначение SCADA - пакетов — сократить сроки создания конкретных систем управления. Все они обладают, в общем-то, одинаковым набором элементов для построения подобных систем. Программистам предприятия не надо писать свою программу — есть возможность просто настроить существующую инструментальную систему под конкретные задачи. Более того, со SCADA - пакетом может работать уже не программист, а непосредственно специалист по управлению предприятия.
Новое поколение средств проектирования SCADA ориентировано на создание интегрированных АСУ единым проектом — от контроллеров до операторских станций, серверов архива и рабочих мест руководителей. Это позволяет в 1,5-2 раза сократить количество разработчиков, занятых в проекте.
Единый проект дает возможность формировать распределенную базу каналов, лучше проектировать информационные структуры, а также использовать технологии автоматического построения и поддержания проекта. Он позволяет инженеру службы эксплуатации быстро проследить информационные связи в рабочей среде. В итоге систему удается обслуживать меньшими силами.
Технология автопостроения означает автоматическое генерирование, поддержание и обновление информационных структур проекта АСУ ТП по основным данным.
Использованное в системе автопостроение освобождает разработчика от рутинных операций по «набивке» баз каналов. Он может уделить главное внимание решению важнейших проблем разработки. Наряду со значительным выигрышем в производительности труда удается сэкономить 7-10% от общей стоимости проекта АСУ ТП. Процедура автопостроения открывает дорогу для автоматического обновления информационных связей на всех узлах системы, оптимизации структуры проекта в ходе его реализации и эксплуатации.
SCADA-пакеты последних версий — это новая степень свободы. Разработчики АСУ ТП могут свободно конфигурировать задачи математической обработки, создавать собственные формы графического отображения информации. И, конечно, очень важно, что система ориентирована на работу в Интернете.
В SCADA-пакеты входят несколько десятков различных модулей, различающихся набором функций или мощностью. Иными словами, пользователь имеет большой выбор.
Глобальное информационное хранилище обеспечивает надежное сохранение истории технологического процесса на удаленных дублированных серверах: запись, например, 64000 параметров с дискретностью до 0.001 с. Информацию о ходе технологического процесса можно просматривать из любой точки планеты при помощи сети Интернет. Удаленный мониторинг — это принципиально новый этап в развитии АСУ ТП.
Горячее резервирование и восстановление после сбоя является встроенной функцией системы. Причем, работа резервированных систем полностью автоматизирована.
Помимо разработки программного обеспечения, специалисты фирм предлагают комплекс услуг, связанных с сопровождением проектов. Внимательно отслеживая их судьбу, профессионалы оказывают техническую поддержку (бесплатную - в течение года) Пользователь имеет доступ ко всем данным проекта с любого компьютера.
В качестве примера расскажем подробнее о некоторых компаниях, предлагающих интересные решения в этой области. Читателю следует обратить внимание, что характеристики SCADA-технологий непрерывно и стремительно совершенствуются. Вполне возможно, что некоторые сведения настоящего обзора к моменту его выхода из печати могут оказаться устаревшими.
Наиболее полную и актуализированную информацию по рассматриваемому вопросу следует искать на фирменных сайтах Интернет.
1.3.1 Особенности микропроцессорных программно-технических комплексов разных фирм
Компонентами любого программно-технического комплекса (ПТК) АСУ ТП являются микропроцессорные контроллеры (с входящими в их состав блоками ввода-вывода), дисплейные пульты оператора (большей частью базирующиеся на персональных ЭВМ), сети, соединяющие перечисленные компоненты. Основной сетевой уровень любого ПТК – управляющая (часто также именуемая системной, или промышленной) сеть, связывающая друг с другом контроллеры и пульты оператора. Кроме того, ПТК может иметь информационную (коммуникационную) сеть, соединяющую пульты оператора между собой и с сервером сети, а также выходящую на общезаводскую информационную сеть. Полевая сеть ПТК связывает контроллеры с блоками ввода-вывода, выделенными в отдельные конструктивные элементы и вынесенными к местам расположения датчиков и исполнительных механизмов.
Структура ПТК определяется средствами и характеристиками взаимосвязи отдельных компонентов комплекса (контроллеров, пультов оператора, удаленных блоков ввода-вывода), т.е. сетевыми возможностями. Гибкость и разнообразие структур ПТК зависят от числа имеющихся сетевых уровней, возможных типов связи на каждом уровне сети (шина, звезда, кольцо), параметров сети каждого уровня: типов кабеля; допустимых расстояний; максимального числа узлов, подключаемых к каждой сети; скорости передачи информации при разных типах кабеля, методе доступа компонентов к сети.
Современными тенденциями развития микропроцессорных комплексов контроля и управления являются стандартизация и типизация их отдельных блоков и компонентов и частично, как следствие этого, все более расширяющаяся открытость систем, т.е. возможность их прямой работы с аппаратурой и программами многих других фирм. Отмечается распространение следующего ряда достаточно общих типовых решений:
Открытость ПТК в целом определяется наличием в его составе ряда драйверов к контроллерам других наиболее широко известных фирм, ряда сетевых протоколов для связи с распространенными на предприятиях сетями, интерфейсами к широко используемым системам управления базами данных (СУБД) и к электронным таблицам.
Характеристики контроллеров. Свойства и параметры основного компонента ПТК – контроллера – существенно различаются у разных производителей. Если выделить важнейшие для пользователя показатели, то это будут тип основной вычислительной платы, разрядность, рабочая частота, наличие и объем различных видов памяти: ОЗУ, энергонезависимой, ПЗУ, ОС контроллера, максимальное число входов-выходов (аналоговых, дискретных, импульсных), которые можно подключить к контроллеру. Знание указанных характеристик позволяет наилучшим образом согласовать требования к системе автоматизации с возможностями контроллеров; не допустить применения как излишне мощной аппаратуры, так и контроллеров, которые по ряду параметров не будут удовлетворять заданным условиям работы.
Характеристики блоков ввода-вывода данных. Эти блоки могут быть встроены в конструктив контроллера либо как вариант располагаться в отдельных выносных конструктивах. В первую очередь важно иметь их разнообразие в части числа сигналов, опрашиваемых одним блоком, и параметров коммутируемых ими сигналов. Существенны также следующие свойства блоков: разрядность и точность преобразователей блоков; наличие, варианты и параметры гальванической развязки; наличие искробезопасных блоков и блоков с предварительной вычислительной обработкой поступающих сигналов.
При анализе этих компонентов ПТК надо точно согласовывать их с имеющимся и проектируемым набором датчиков и исполнительных механизмов автоматизируемого объекта.
Характеристики пультов оператора. Поскольку для разных объектов и классов задач могут потребоваться разные технические параметры пультов оператора: мощность, тактовая частота, память и т.д., то предпочтительно иметь дело с ПТК, у которого существует ряд модификаций пультов оператора или в качестве их могут использоваться различные модификации персональных ЭВМ. Часто ПТК содержит переносные панели для мониторинга и настойки контроллеров по месту их расположения. Возможность выбора варианта пульта оператора обеспечивает его экономичное согласование с требуемыми параметрами, а наличие вариантов по числу мониторов на пульт и размеру их экранов, типу клавиатур, аудиосигнализации и т.д. влияет на удобство и комфортность работы операторов.
Динамика работы ПТК. Для многих применений имеют большое значение динамические параметры ПТК, определяющие возможное быстродействие разрабатываемых цепей контроля и управления. Отдельными показателями динамики являются:
Эти показатели имеют тем большее значение, чем быстрее протекают технологические процессы в автоматизируемом объекте.
Надежность работы ПТК. Характеристики надежности оцениваются косвенными показателями и возможностями ПТК:
Организационно-экономические факторы внедрения ПТК. Экономические и организационные показатели заказа, внедрения, сопровождения ПТК можно подразделить на следующие группы:
1.3.2 Характеристика прикладного программного обеспечения зарубежных фирм
Прикладное программное обеспечение (ПО) является частью ПТК. Программное обеспечение подразделяется на следующие части:
Полнота, простота, удобство использования имеющихся инструментов создания прикладного ПО, возможность их применения технологическим персоналом, не являющимся программистами; наличие в прилагаемых программах совершенных алгоритмов управления и разнообразных пакетов обработки информации – все это определяет важнейшие показатели проектирования и эксплуатации системы автоматизации: время разработки системы и необходимую квалификацию разработчиков, эффективность эксплуатации системы и комфортность работы с ней операторов и обслуживающего персонала, возможности и легкость расширения и модернизации системы.
Подробнее остановимся на программных пакетах для создания интерфейса человек-машина (Man Machine Interface, MMI) и программного обеспечения операторских станций АСУ ТП (Supervisor Control And Data Acquisition, SCADA)
Прежде чем рассматривать конкретные реализации пакетов АСУ ТП (SCADA, MMI), рассмотрим кратко принцип программирования верхнего уровня АСУ ТП с использованием SCADA-программ.
Пакет InTouch фирмы Wonderware является одним из лидеров в системах MMI/SCADA. Это пакет средств разработки операторских интерфейсов для создания АСУ ТП дискретных и непрерывных производств, распределенных систем управления, диспетчерского управления и сбора данных (SCADA) и других областей промышленного применения. InTouch – одна из самых популярных в мире программ человеко-машинного интерфейса. Новые модификации программы, предусмотренные в версии 5.6, касаются в основном распределенной архитектуры, в том числе распределенной обработки аварийных сигналов, распределенных баз статистических данных, возможности использования переменного графического разрешения, удаленной разработки и обслуживания прикладных программ в компьютерных сетях.
Рабочие характеристики:
Требования, предъявляемые системой: ОЗУ не менее 8 МБ; программные средства – Windows 3.11, 95, NT; поддерживает любые стандартные сети NetBIOS (Ethernet, Novell, Token Ring, Arcnet и др.)
В списке дополнительных возможностей пакета InTouch – возможность обращения к структурному языку запросов (SQL), т.е. доступ к наиболее известным программам баз данных (SQL сервер фирмы Microsoft, Oracle, Sybase, dBase и др.), поддерживающим стандарт связности открытых баз данных (ODBC). В состав пакета входит набор инструментальных средств Extensibility Toolkit, позволяющий разработчикам прикладных программ приспособить InTouch к конкретным нуждам пользователя. Имеется также широкий ассортимент серверов ввода-вывода для сотен наиболее популярных управляющих устройств, включая Allen-Bradley, Siemens, Modicon, Opto 22 и др.
MMI/SCADA IMAGE состоит из двух основных частей: редактора интерфейса и исполняемого модуля. Редактор интерфейса предоставляет в распоряжение разработчика панель инструментов, с помощью которой методом визуального программирования создаются рабочие окна видеосистемы с видеоэлементами; имеются средства управления внутренней БД. Переменные из БД связаны с соответствующими динамическими видеоэлементами, с одной стороны, и с соответствующими элементами программы пользователя программируемых контроллеров, с другой.
Рабочие характеристики:
Имеет в своем составе драйверы для наиболее известных программируемых логических контроллеров, а также специальный инструмент создания собственных драйверов.
Основные преимущества – постоянная поддержка пользователей, полная русификация, невысокая стоимость при достаточных ресурсах для решения широкого круга задач.
GENESIS. Первая версия пакета разработана фирмой Iconics (США) в 1986 году. Системы на базе этого пакета работают практически во всех странах мира. Последняя версия, Genesis for Windows (GFW), работает под Windows 3.11 или Windows 95 и позволяет осуществлять автоматизацию объектов различной сложности, от лаборатории до завода, в зависимости от варианта поставки. В GFW реализована приоритетная многозадачность на основе специальной программы-ядра реального времени, RTS (Real Time Server). RTS обеспечивает опрос каналов ввода-вывода с гарантированным временем реакции до 50 мс. В составе пакета имеется более 250 драйверов к оборудованию ведущих европейских и американских производителей средств автоматизации. Одной из главных отличительных черт пакета является его модульность, что позволяет конечному пользователю сократить финансовые затраты, приобретая только необходимые для реализации проекта части пакета. RTS состоит из исполнительной и инструментальной частей. Исполнительная часть отвечает за опрос каналов ввода-вывода, выполнение алгоритмов сбора информации и управления, а также обрабатывает запросы всех остальных приложений GFW. В состав инструментальной части входит средство конфигурирования RTS при помощи графического языка функциональных блоков.
Не менее важной частью GFW является модуль GraphWorks+, реализующий интерфейс человек-машина (MMI). Эта часть GFW позволяет создавать при помощи специализированного графического редактора экраны отображения поведения процесса и выводить их на дисплей оператора. Набор возможностей GraphWorks+ достаточно богат – есть возможность создавать кадры отображения практически любой сложности, от текстов и мнемосхем процесса до кадров с анимацией в реальном времени.
Следующий модуль GFW – AlarmWorks – отвечает за отображение и ведение архива аварийных ситуаций.
Еще один модуль – TrendWorks+ - предназначен для отображения поведения переменных процесса в виде графиков в реальном времени и хранения данных предыстории процесса.
Один их наиболее важных модулей GFW – I/O Server – отвечает за связь пакета с конкретным оборудованием АСУ ТП. Каждый I/O Server обслуживает определенный тип внешних устройств ввода-вывода. Принимаемые и выдаваемые данные представляются в стандартном формате ODBC фирмы Microsoft, что делает их доступными для других приложений Windows. Несмотря на огромный список оборудования, для которого соответствующие драйверы уже написаны, фирма Iconics поставляет инструментарий для создания собственных вариантов I/O Server.
Genie. Производитель Genie – американское отделение фирмы Advantech, известной как производитель компьютеров и электроники для промышленной автоматизации. Преимуществами этого пакета являются низкая цена, прекрасно продуманный интерфейс пользователя, значительная простота освоения. Однако пакет Genie предназначен для программной поддержки аппаратуры фирмы Advantech и в первую очередь содержит драйверы именно для нее. Для использования пакета с оборудованием других изготовителей в руководстве пользователя приводится описание процедуры создания собственных динамических библиотек, обслуживающих «нестандартные» устройства ввода-вывода.
RSView – система для сбора данных, мониторинга и управления. Система разработана в среде Windows NT/95 с использованием OLE, ODBS и DDE технологий.
RSView имеет:
Интегрированные пакеты АСУ ТП в ОС QNX. Операционная система QNX (разработка фирмы QSSL, Канада) как система реального времени для IBM PC является одной из наиболее широко используемых при построении систем управления и сбора данных, прежде всего за счет того, что она гарантирует время реакции в пределах то нескольких десятков микросекунд до нескольких миллисекунд ( в зависимости от версии QNX и быстродействия ПЭВМ). Кроме того высокая эффективность QNX в задачах управления и сбора данных в реальном времени обеспечивается такими свойствами, как наличие 32-разрядного ядра, многозадачность (до 250 задач на одном узле), встроенные в ядро сетевые возможности (поддержка Ethernet, Arcnet, Token Ring), гибкое управление прерываниями и приоритетами, возможность выполнения задач в защищенном и фоновом режимах.
В распределенных иерархических системах управления и сбора данных можно выделить несколько уровней, на каждом из которых используется программное обеспечение на базе ОС QNX.
RealFlex. Пакет RealFlex поставляется с полным набором модулей, обеспечивающих пользователя всем необходимым для разработки и функционирования АСУ ТП, и включает утилиты конфигурирования, процессоры данных реального времени и тревог, а также средства для вычислений, обработки дискретных и аналоговых данных, архивирования данных предыстории, отображения и генерации отчетов.
В настоящее время RealFlex поддерживает аппаратуру многих известных зарубежных фирм-производителей контроллеров и плат ввода-вывода – Allen-Bradley, Honeywell, Modicon, Yokogawa, Simatic. Список поддерживаемых устройств постоянно расширяется. В качестве одного из наиболее перспективных средств ввода-вывода аналоговой и дискретной информации от объектов АСУ ТП в рамках RealFlex используются компьютеры MicroPC (Octagon Systems, США) со встроенной в ПЗУ или флэш-память операционной системой QNX 2.21 или QNX 4.22. Для RealFlex разработаны драйверы для отечественных контролеров ТСМ51, Ломиконт-110, Ремиконт-110 и 130, ЭК-2000, Ш-711 и др.
Sitex. Функционально Sitex можно разделить на следующие компоненты: Сервер распределенных баз данных реального времени и Построитель БД, Редактор системных сообщений, Редактор сообщений тревог, Утилиты конфигурирования сервера ввода-вывода, редактор символов, Объектно-ориентированный графический построитель, Редактор динамических экранов, Процессор данных, Менеджер тревог/событий, Утилиты конфигурирования тревог, Сервер предыстории, Менеджер доступа, Менеджер управления, Генератор отчетов, Встроенные средства поддержки работы в сети.
Пакет Sitex разработан как система с архитектурой клиент/сервер, что предоставляет пользователю возможность взаимодействовать с выбранными им серверами БД реального времени.
AutoNet. AutoNet – это пакет для сбора данных, управления, тестирования и измерений. Отличительной особенностью AutoNet является возможность применения этого пакета в приложениях с очень высокими требованиями к скорости приема данных. Этот пакет обеспечивает возможность поступления и обработки до 50000 измерений в секунду. AutoNet позволяет иметь любое число панелей, отображающих значения принимаемых данных. Эти панели строятся самим пользователем на основе примерно 100 типов динамических элементов отображения и обновляются со скоростью 30 раз в секунду. Динамические элементы обеспечивают отображение как данных реального времени, так и данных предыстории.
Пользователь AutoNet имеет средства выполнения математических вычислений в реальном времени на основе принимаемых данных.
AutoNet имеет развитые средства обработки сигналов тревоги и генерации отчетов, кроме того пакет содержит функции работы по протоколу TCP/IP (клиент/сервер), расширенные средства обработки данных предыстории, ПО для приложений пользователя.
Sammi. Sammi – средство визуализации динамических данных (DDVT – Dynamic Data Visualization Tool) – предоставляет простой и эффективный инструмент для развития, тестирования и сопровождения графических приложений, основанных на системе X-Window. Развитая архитектура Sammi идеальна для управляющих и информационных систем реального времени, так же как и для приложений типа клиент/сервер, критичных к времени отклика и требующих высокой производительности. Богатые графические средства Sammi дают возможность создавать распределенные сетевые системы практически без программирования. В Sammi реализованы средства защиты от сбоев. Если на сервере произошел сбой, каждая рабочая станция в состоянии управлять информацией независимо. В среде Sammi любое приложение может иметь резерв, обеспечивая, если это нужно, защиту путем восстановления данных. Избыточность приложения означает, что, когда приложение аварийно завершается на одном узле, его функции выполняются на другом узле. В Sammi реализован механизм разграничения доступа, который позволяет разрешить/запретить авторизованным пользователям доступ к любому объекту: приложению, окну или динамическому объекту.
Отличительной особенностью Sammi является то, что пакет работает на нескольких аппаратных платформах: Sun Sparc (SunOS и Solaris), DEC Alpha (OSF/1), DECstation (Ultrix), HP 9000/700 Series (HP-UX) и др.
В последнее время появляются все новые и новые интегрированные пакеты для создания распределенных систем управления, которые переносятся фирмами-разработчиками в среду QNX из UNIX-систем. Это объясняется тем, что QNX 4.2 достаточно полно удовлетворяет стандарту POSIX (Portable Operating System Interface for UNIX). При этом интегрированные пакеты в среде QNX приобретают новое качество за счет возможностей QNX как операционной системы реального времени, построенной на основе концепции микроядра.
Определение наилучшего ПТК из всей их совокупности, имеющейся в настоящее время на рынке – не однозначная и достаточно сложная задача, поскольку при этом необходимо учитывать все свойства автоматизируемого объекта, удовлетворять поставленным требованиям к системе контроля и управления, находить рациональный компромисс между различными критериями (мощностью, надежностью, открытостью, стоимостью и т.д.). Ввиду этого важно рассмотреть те свойства ПТК, которые отличают их при использовании, позволяют потенциальным пользователям лучше понять разницу между отдельными комплексами, связать определенные свойства объекта и требования к системе его автоматизации с характеристиками и параметрами конкретных ПТК.
Пакет WinCC. Пакет WinCC является SCADA системой от SIEMENS – это компьютерная система человеко-машинного интерфейса, работающая под управлением операционных систем Windows NT 4.0/ 2000. Базовая конфигурация системы включает в свой состав функции управления и визуализации. Имеются такие функции, позволяющие выполнять архивирование результатов измерений, регистрировать технологические данные и параметры настройки конфигурации.
Система WinCC разработана для решения задач визуализации и оперативного управления. Система оснащена мощным интерфейсом для связи с процессом, пригодна для работы со всем спектром изделий SIMATIC, обеспечивает парольный доступ к управлению процессом, обладает высокой производительностью, обладает высокой универсальностью и может быть использована для построения систем управления самого разнообразного назначения.
В качестве WinCC-сервера АСУ ВН №12 выбран компьютер PIII-700/256/20G/8M SVGA/ IDE/3C905B-TX/FDD, с 19 «дюймовым» монитором, клавиатурой, мышью (трекболом), который подключается к питающей сети через источник бесперебойного питания BACK UPS 500.
Связь управляющей подсистемы с подсистемой визуализации осуществляется по сети ETHERNET.
Передача информации от подсистемы визуализации в информационный сервер доменной печи №3 организуется по протоколу ETHERNET посредством подключения серверов Win CC к действующей сети информационного сервера ДП №3.
Защита базы данных и программ системы от несанкционированного доступа и (или) обновления осуществляется с помощью механизмов идентификации пользователя и подтверждения его подлинности паролем. Для разграничения функций доступа к системе введена регистрация пользователя. Логическое имя пользователя зависит от его профессии. Ответственным за смену имени пользователя и соответственно пароля является администратор системы.
Российская фирма AdAstra образована в 1992 году. Начав с нуля, она постепенно превратилась в крупнейшего отечественного производителя программного обеспечения для промышленной автоматизации. По данным за 1999 год - SCADA система этой компании ТRАСЕ МОDЕ занимала примерно 48 процентов российского рынка, став ведущей системой программного обеспечения в стране.
За минувшее десятилетие AdAstra, подчеркивает президент Л.В. Анзимиров, не только сохранила потенциал разработчиков, но и вывела свою продукцию на международный уровень, став конкурентом ведущих зарубежных систем по качеству и объему функций, по экономическим показателям.
Привлекательность TRACE MODE в самой фирме объясняют несколькими основными факторами. Прежде всего, это высокая функциональная насыщенность SCADA - системы, постоянное ее совершенствование, ориентация на новые технологии. Свои результаты дает политика бесплатного написания и предоставления пользователям драйверов УСО, качественная техническая поддержка разработчиков АСУ на местах. Естественно, сказывается разумная ценовая политика фирмы: TRACE MODE примерно вдвое дешевле зарубежных аналогов, не уступая им по качеству.
Предложенная московскими специалистами система предназначена для сбора, обработки, графического показа и управления технологическими процессами в реальном времени. На ее основе можно создавать автоматизированные рабочие места операторов-технологов, диспетчеров, сменных инженеров и т.д., а также вести разработки полнофункциональных распределенных АСУ ТП масштаба предприятия. Практика многократно подтвердила все эти возможности.
SCADA -система ТRАСЕ МОDЕ в настоящее время имеет свыше 4000 инсталляций - работает в энергетике, металлургии, нефтяной, газовой, химической и других отраслях промышленности, в коммунальном хозяйстве, по числу внедрений в России значительно опережая зарубежные пакеты
В 1998 году фирма перешла на пятую версию ТКАСЕ МОDЕ. Она основана на DСОМ — базовой 32-разрядной технологии корпорации Microsoft. Благодаря современной архитектуре система реального времени обладает очень высокой производительностью, содержит ряд новых технологий проектирования. Среди них разработка распределенной АСУ ТП как единого проекта, автопостроение, оригинальные алгоритмы обработки сигналов и управления, объемная векторная графика мнемосхем, единое сетевое время, уникальная технология графического просмотра архивов на рабочих местах руководителей.
Отдельные модули системы теперь легче сопрягаются между собой, а это означает, что АСУ ТП на базе ТRАСЕ МОDЕ нетрудно поддерживать, развивать и интегрировать в корпоративные информационные системы.
Новое поколение средств проектирования ТRАСЕ МОDЕ 5 ориентировано на создание распределенных АСУ единым проектом — от контроллеров до операторских станций, серверов архива и рабочих мест руководителей. Это позволяет в 1,5-2 раза сократить количество разработчиков, занятых в проекте. При разработке распределенной АСУ объемом в 1000 1/0 выигрыш может достигать $5000 на проект (в России) и $50.000 на Западе, для АСУ в 10.000 1/0 - соответственно $12.500 и $125.000.
Единый проект дает возможность формировать распределенную базу каналов, лучше проектировать информационные структуры, а также использовать технологии автоматического построения и поддержания проекта. Он позволяет инженеру службы эксплуатации быстро проследить информационные связи в рабочей среде. В итоге систему удается обслуживать меньшими силами.
Технология автопостроения означает автоматическое генерирование, поддержание и обновление информационных структур проекта АСУ ТП по основным данным.
Использованное в системе автопостроение освобождает разработчика от рутинных операций по «набивке» баз каналов. Он может уделить главное внимание решению важнейших проблем разработки. Наряду со значительным выигрышем в производительности труда удается сэкономить 7-10% от общей стоимости проекта АСУ ТП. Процедура автопостроения открывает дорогу для автоматического обновления информационных связей на всех узлах системы, оптимизации структуры проекта в ходе его реализации и эксплуатации.
ТRАСЕ МОDЕ пятой версии — это новая степень свободы. Разработчики АСУ ТП могут свободно конфигурировать задачи математической обработки, создавать собственные формы графического отображения информации. И, конечно, очень важно, что система ориентирована на работу в Интернете.
В ТRАСЕ МОDЕ 6 входят около 150 различных модулей, различающихся набором функций или мощностью. Иными словами, пользователь имеет большой выбор. К тому же АdАstга предоставляет бесплатно диск с инструментальной системой на час работы: заказчик, таким образом, заблаговременно может протестировать предлагаемую ему систему, проверить правильность своего выбора.
Глобальное информационное хранилище обеспечивает надежное сохранение истории технологического процесса на удаленных дублированных серверах: запись 64000 параметров с дискретностью до 0.001 с. Информацию о ходе технологического процесса можно просматривать из любой точки планеты при помощи сети Интернет. Горячее резервирование и восстановление после сбоя является встроенной функцией системы. Причем работе резервированных систем полностью автоматизирована.
Помимо разработки программного обеспечения, специалисты АdАstга предлагают комплекс услуг, связанных с сопровождением проектов. Внимательно отслеживая их судьбу профессионалы оказывают техническую поддержку (бесплатную - в течение года) Пользователь имеет доступ ко всем данным проекта с любого компьютера.
Говоря о перспективах фирмы АdАstга, ее руководитель Л.В. Анзимиров на первое место ставит вывод ТRАСЕ МОDЕ на международные рынки, продолжение инновационных разработок в области высоких технологий дальнейшее развитие партнерства с российскими производителями программных и аппаратных средств.
1.4 Выбор и обоснование цели и задач настоящей работы
Целью работы является совершенствование математических методов обработки данных.
Компенсация постоянно действующих возмущений (ПДВ) технологических объектов управлений (ТОУ) в условиях неполноты и погрешностей их контроля и ограничений на ресурсы управления является алгоритмически сложной задачей. К задачам такого рода относится компенсация колебаний показателей химсостава и качества сточных вод и коагулянтов, ошибок их дозирования в системах водоочистки, колебания влажности и гранулометрического состава шлама, поступающего на брикетирование, ошибки дозирования связующих, обезвоживающих веществ и т.п.
Поэтому при синтезе системной архитектуры АСУ ТП водоочистки было принято решение выделить в ее составе специальную функциональную подсистему для компенсации ПДВ с условным наименованием «САУ «Коррекция».
САУ «Коррекция» предназначена для:
Целями создания САУ «Коррекция» является:
В работе предлагается подход к построению САУ «К» в виде оптимальной системы.
За критерий функционирования системы принимается условие минимизации затрат на компенсацию возмущений при выполнении ограничений на отклонение выходной величины от задания.
Для теоретически оптимальных систем компенсации возмущений построение алгоритмов управления приводит к необходимости решения ряда проблем, среди которых важнейшими являются: оценка текущего состояния объекта, когда его выход не контролируется или контролируется редко; проблема прогноза возмущений и, соответственно, проблема оценивания тренда ПДВ, удовлетворяющих целому ряду условий, а именно:
В основу математического обеспечения задачи оценивания и прогнозирования трендов ПДВ положены алгоритмы РЭС, различные варианты реализации которых предстоит исследовать в дипломной работе.
В сообщении приводятся также результаты анализа технологий ведения БД, обоснование выбора ПО для ее реализации и описание даталогической модели БД САУ «К».