Опытная эксплуатация и внедрение автоматизированных информационных систем.

СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ
1. Этапы Опытной эксплуатации и внедрения автоматизированных информационных систем
2. Пример разработки концепции автоматизированного управления технологическими процессами
2.1.Технологические процессы как объекты управления
2.2. Симплициальный анализ иерархических связей
2.3.Критерии управления технологическими процессами
2.4.Принципы построения цифровой системы автоматического управления технологическими процессами
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
ЛИТЕРАТУРА

Критерии: стабилизация зольности концентрата (Aкd(R, %), потерь с отходами (Гп(R, %) при соответствии (2.1):
где Aкid(R – зольность концентрата i-го машинного класса, %;
Гк(R – суммарный выход концентрата, %;
Гкi(R – выход концентрата i-го машинного класса, %;
Гпi(R – потери угля с отходами в i-ом машинном классе, %.
3.Обезвоживание флотоконцентрата. Критерий: минимизация влажности кека (W1(R, %) при согласованной производительности флотационного (Qфл(R, т/ч) и фильтровального (Qфи(R, т/ч) отделений:
4.Сушка концентрата. Критерии: стабилизация заданной влажности концентрата (W2(R, %) и максимизация КПД (((R, %) сушильной установки при соответствии (2.1):
5.Водно-шламовая система. Критерии: стабилизация содержания твердого (W3(R, %) в оборотной воде при ограничении на плотность сгущенного продукта (W4(R, кг/м3; для обеспечения перекачки шламовых вод в отстойники):
где W3*,W4*(R – заданные величины содержания твердого и плотности.
На нижнем уровне используются критерии стабилизации режимных параметров, количество которых зависит от конкретной технологической схемы УОФ. Так, например, для флотации – это стабилизация заданных значений удельных расходов флотореагентов, содержания твердого в исходной пульпе, толщины пенного слоя, уровня и степени аэрации пульпы в камерах флотомашины; для отсадки – расходов транспортной и подрешетной воды, содержания в них твердого, давления воздуха в воздушном отделении, частоты подачи воздуха и длительности позиций цикла (впуск, выпуск, пауза), производительности разгрузочных устройств, высоты тяжелого слоя постели отсадочной машины; для обогащения в тяжелых средах – плотности разделительной среды и ее вязкости.
2.4.Принципы построения цифровой системы автоматического управления технологическими процессами
Одним из основных путей совершенствования управления ТП УОФ в настоящее время является разработка и внедрение современных цифровых САУ, интегрированных в едином информационном пространстве. Существующие системы управления действующих УОФ морально устарели, не обеспечивают адаптацию к изменениям технологии без значительной корректировки действующей структуры и не допускают использования стандартных протоколов обмена данными между разными приложениями в реальном масштабе времени, при идентифицированных моделях ОУ УОФ (с достаточной для практики точностью аппроксимируются апериодическими звеньями второго порядка с запаздыванием при максимально двух каналах управления) не создано общего унифицированного алгоритма управления отдельными режимными параметрами и ТП. Традиционные методы автоматизации отдельных ТП и участков на базе аналоговой техники не могут решить указанную проблему в силу следующих особенностей УОФ как ОУ:
1. Разнотипность используемой аппаратуры (контроллеры Ремиконт, Ломиконт, Siemens, Schneider Electric, Octagon Systems, датчики БАРС, PEPPERL+FUCHS, др.).
2. Невозможность реализации современных, сложных, ресурсоемких алгоритмов управления многомерными объектами с большим запаздыванием информации о качестве конечных продуктов (зольность, влажность, др.), нестационарными технологическими параметрами и вероятностными характеристиками возмущающих воздействий.
3. Необходимость визуализации состояния ОУ в реальном масштабе времени на базе дружественного пользовательского интерфейса.
Структуру интегрированной АСУ УОФ целесообразно представлять в виде двух подсистем – организационно-экономического и производственного управления. Функционально в системе выделяются следующие основные части: централизованный оперативный контроль технологических параметров и состояния оборудования, централизованный оперативный учет работы УОФ, управление процессами обогащения. Сменный инженер, специалисты по маркетингу и производственному менеджменту, операторы ТП обобщают производственную информацию и формируют управляющие воздействия как на основе собственного опыта, так и на базе ЭС поддержки принятия решений. При этом решаются следующие основные задачи: оперативное управление ТП, устранение причин возникновения предаварийных и аварийных ситуаций, реализация сменных плановых технико-экономических показателей, маркетинговый анализ, информационное обеспечение более высокого уровня.
Производственную часть УОФ удобно отображать в виде трехуровневой иерархической системы. Структура иерархической САУ ТП УОФ на базе унифицированных модулей представлена на рис.2.7, в которой для достижения глобального экстремума впервые использован системный подход. На рис. 2.7 приняты следующие обозначения (i(Z;i=1,…,n): n(Z – количество оптимизируемых ТП; ОУij(R – j-ый режимный параметр в i-ом ТП, j(Z, j=1,…,ki; ki(Z – количество режимных параметров i-го ТП; Рij – регулятор ОУij; Vij(R – вектор возмущающих воздействий ОУij; Yij(R – вектор выходных характеристик ОУij; Uij(R – вектор управляющих воздействий ОУij; Нij – вектор информационных параметров о состоянии ОУij; Yзij(R – вектор заданий выходных характеристик ОУij; ОУ*i – i-ый ТП; V*i(R – вектор возмущающих воздействий ОУ*i; Y*i(R – вектор выходных характеристик ОУ*i; Н*i – вектор информационных параметров о состоянии ОУ*i; Y*зi(R – вектор заданий выходных характеристик ОУ*i. В структуре выделяются три основных уровня управления: 1) локальным режимным параметром (расход и плотность пульпы, уровень породной постели отсадочной машины, др.); 2) показателями качества (влажность, зольность, др.); 3) комплексом ТП (отсадка, флотация, тяжелые среды) по общему критерию. Так, например, для процесса отсадки (допустим, i=1, k1=2): ОУ11 – расход подрешетной воды; ОУ12 – производительность разгрузочных устройств; V11={содержание твердого в подрешетной воде}; V12={производительность по породе}; Y11=Y12={фракционный состав промпродукта, производительность по промпродукту, зольность промпродукта}; U11={расход подрешетной воды}; U12={производительность разгрузочных устройств}; H11={изменение проходного сечения решета в результате его засорения}; H12={высота тяжелого слоя отсадочной постели, неравномерность распределения исходного материала по ширине решетного отделения}; V*1=V11(V12 (( – операция логического сложения векторов); Y*1={зольность концентрата, производительность по концентрату}; H*1=H11(H12.
Рис. 2.7. Структура САУ ТП УОФ
Наиболее целесообразно строить аппаратную часть системы управления как адекватно отражающую производственную структуру. В этих условиях топологическая схема комплекса аппаратных средств эквивалентно представляется на базе SCADA-технологии. Вариант однородных систем (DCS) не отвечает иерархической методологии информационного пространства УОФ.
Кроме того, к программно-аппаратному комплексу предъявляются следующие технические требования:
1. Аппаратная часть должна содержать блоки УСО для приема сигналов одного типа по нескольким каналам. Это позволяет сконфигурировать систему для приема и выдачи любого количества сигналов.
2. Возможность нормального функционирования в условиях УОФ с учетом агрессивных сред (наличие растворенных солей, угольная и породная пыль, кислотные среды, высокая влажность, воздействие ударов, широкий диапазон изменения температур, др.).
3. Формирование управляющих воздействий с возможностью их корректировки человеком-оператором при функционирующих ТП.
4. Использование проверенных и по возможности уже освоенных программно-аппаратных средств, что обеспечивает большой выбор ПО и невысокие требования к знаниям обслуживающего персонала и разработчиков. Данному условию соответствуют, например, контроллеры Octagon systems (широкий диапазон рабочих температур, наработка на отказ более 300 тысяч часов, высокопроизводительные процессоры Intel386SX в серии 60х0, десятилетний опыт эксплуатации на предприятиях стран СНГ), сеть Ethernet (эффективная связь ЭВМ нижнего и верхнего уровней, де-факто является стандартом локальных промышленных компьютерных сетей, существует большой выбор оборудования).
5. Применение при контроле режимов работы комплекса ТП экспертной системы поддержки принятия решений операторов на базе технологий дружественного пользовательского интерфейса (например, процедуры обработки речевой информации) и открытости ПО. Причем, в соответствии с двумя противоположными уровнями теоретической подготовки персонала необходимо при построении ЭС поддержки принятия решений операторов ТП учитывать подходы модификации БЗ на основе специального макроязыка или на базе ее визуальной корректировки.
6. Унификация и гибкая интеграция подсистем различного функционального назначения (ГЭС, САУ, ЭС, бухгалтерское ПО, программное и аппаратное обеспечение ПТС, др.) в общей АСУ УОФ на базе стандартных протоколов обмена данных (например, Microsoft OLE, OPC, DDE), БД реального времени, Internet/Intranet-технологий.
На основании вышеизложенного структура аппаратной части представляется трехуровневой иерархической SCADA-системой (рис.2.8). На нижнем уровне при помощи контроллеров решаются задачи сбора данных и автоматического управления режимными параметрами ТП.
Средний уровень (SCADA-системы), кроме автоматизации ТП, в целом предназначен для визуализации, архивирования, алармирования, коррекции управляющих воздействий – данные передаются с нижнего уровня по стандартным протоколам реального времени. Верхний уровень (общая диспетчеризация – координация и оптимизация комплекса ТП) позволяет отслеживать оперативную информацию из отдельных цехов или участков на базе коммуникационного SQL-сервера и осуществлять комплексное управление фабрикой на основе определения оптимальных режимов функционирования комплекса аппаратов, например, при помощи методик прогнозирования ожидаемых результатов обогащения.
Программное обеспечение (ПО) современных SCADA-систем для наиболее распространенной в настоящее время ОС Microsoft Windows основывается на технологии Microsoft OPC, что позволяет интегрировать их с инструментальными средствами общего назначения (Delphi, VBA, C-Builder, др.) и строить эффективные ГЭС. Его сложность зависит от характеристик ТП (одно- или многоканальное управление, постоянные или нестационарные параметры, значение величины запаздывания, структура модели ОУ, др.) и, соответственно, применяемых моделей и алгоритмов. Программирование контроллеров проводится в инкрементных (каждый ввод немедленно проверяется) или текстовых (ориентированных на исходный текст) редакторах различных языков программирования (контактного плана, машинных кодов, схем функциональных блоков, др.). Для загрузки информации в энергонезависимую память контроллеров в типичной структуре применяется специальный компьютер.
Рис. 2.8. Структура аппаратной части САУ ТП УОФ
Пользовательский интерфейс оказывает значительное влияние на эргономические показатели, отработку нештатных ситуаций, качество конечного продукта, др. Анализ различных систем автоматизации по этой и другим характеристикам (регистрация аварийных ситуаций, драйверы ввода-вывода, встроенные командные языки, др.) показывает, что тенденция их развития и возможности совпадают, однако доминирующее положение занимают Trace Mode, Genesis32, InTouch. При проектировании с учетом специфики углеобогатительного производства (большое количество информационных сигналов, наличие значительного транспортного запаздывания, нестационарные зашумленные характеристики производства, парк отечественного оборудования) единственной SCADA-системой является TRACE MODE (соответствие вышеперечисленным техническим требованиям; российский производитель; дружественный пользовательский интерфейс; доступная цена; наличие драйверов отечественных контроллеров типа Ремиконт; адаптивное ПИД регулирование; автоподстройка ПИД регулятора; регулирование с компенсатором запаздывания и блоком идентификации; разработка комплексной системы управления как единого проекта; возможность автопостроения; др.).
В силу специфических особенностей ТП углеобогащения (большое запаздывание, нестационарные параметры, др.) синтез автоматических систем управления режимными параметрами и особенно процессами в целом по качеству конечных продуктов (влажность, зольность, др.) представляет собой достаточно сложную задачу.
Идентификация характеристик процессов углеобогащения эффективно производится на базе известных методов статистической динамики, минимальных произведений, сплайнов и средних, обеспечивающих примерно одинаковые результаты при нормальном законе распределения вероятностей стохастических параметров.
Объекты углеобогатительного производства в одноканальных САУ с достаточной для практики точностью аппроксимируются апериодическим звеном второго порядка с запаздыванием и эффективно моделируются с учетом квантования по времени в дискретной форме на основе z-преобразования. Дискретная передаточная функция приведенной непрерывной части с экстраполятором нулевого порядка имеет следующий вид (изображения с разными коэффициентами отображают две разные исходные непрерывные передаточные функции):
(2.2)
где ;
Zп{(} – операция z-преобразования;
s – оператор Лапласа;
Т0(R – период квантования, c;
, a1,1(R;
, a2,1(R;
, b1,1(R;
, b2,1(R;
, a1,2(R;
, a2,2(R;
, b1,2(R;
, b2,2(R;
k1,k2(R – коэффициенты усиления;
T1,1,T2,1,T1,2,T2,2,,T3,2(R – постоянные времени;
d(Z – дискретное запаздывание.
Необходимо также отметить, что представление моделей ОУ УОФ в виде (2.2) допускает масштабирование временных переменных (т.е., z-преобразования двух исходных непрерывных апериодических звеньев второго порядка с T1,1=6с, T2,1=7с, T0=1с, d=0 и T1,1=120с, T2,1=140с, T0=20с, d=0 соответствуют одному разностному уравнению).
Таким образом, схема САУ одноканальным ОУ приведена на рис. 2.9, где модели ИМ и РУ учтены в уравнении экстраполятора, датчик представляется безинерционным звеном. Моделирование ИМ и РУ интегратором (уравнение экстраполятора) возможно из-за того, что постоянные времени ОУ углеобогащения значительно (в десятки раз) превышают постоянные времени ИМ и РУ (например, анализ системы автоматического регулирования производительности вакуум-фильтра показывает, что постоянная времени вакуум-фильтра составляет 1 с, двигателя с постоянной частотой вращения – 0,0395 с).
Рис. 2.9. Схема САУ одноканальным ОУ
Использование апериодических звеньев второго порядка с запаздыванием для аппроксимации динамических характеристик объектов УОФ в отдельном канале управления обусловлено следующим. В общем случае динамические свойства ОУ УОФ описываются достаточно сложными дифференциальными уравнениями в частных производных с переменными коэффициентами. Однако, если точки приложения входных воздействий и точки измерения выходных переменных определены, то ОУ можно представить объектом с сосредоточенными параметрами. Причем, учитывая нелинейный характер статических характеристик, рассматриваемые объекты описываются нелинейными дифференциальными уравнениями с переменными коэффициентами. Однако, учитывая монотонный характер статических зависимостей, а также сравнительно небольшие отклонения возмущающих воздействий в процессе нормальной эксплуатации, объекты УОФ в первом приближении можно описать линейными дифференциальными уравнениями с постоянными коэффициентами. Объекты УОФ характеризуются движением материала и массообменом и поэтому могут быть представлены в виде инерционных звеньев с запаздыванием. Недостаток априорной информации о поведении объекта, являющийся следствием принятых допущений, компенсируется выбором соответствующего диапазона изменения основных параметров УУ и настройкой его на объекте.
При двухканальном управлении объекты УОФ с достаточной для практики точностью аппроксимируются моделью с линейной (апериодическое звено второго порядка с запаздыванием) и нелинейной (полином второго порядка с полной комбинацией аргументов) частями.
Одноканальные САУ применяются для управления режимными параметрами (например: расход поступающей на флотацию пульпы, содержание твердого в поступающей на отсадку пульпе, вязкость магнетитовой суспензии в тяжелосредном сепараторе). Двухканальные САУ применяются для управления ТП с двумя каналами управления (например: удельные расходы реагентов пенообразователя и собирателя – зольность флотоконцентрата, высота породной постели и степень ее разрыхленности в отсадочной машине – зольность концентрата отсадки, плотность магнетитовой суспензии и степень ее вязкости – зольность концентрата тяжелосредной сепарации).
Для достижения требуемого качества процесса управления, инвариантности к возмущающим воздействиям и переменным параметрам объекта при известных параметрах одноканального ОУ и контролируемых возмущающих воздействиях наиболее эффективным подходом представляется оптимальное управление на основе метода динамического программирования (оптимальное управление является функцией фазовых координат, т.е. решается задача синтеза оптимального регулятора) и фильтра Калмана. При неконтролируемых возмущениях – фильтрация и восстановление фазового вектора на базе специальной процедуры стохастической аппроксимации. При нестационарных параметрах и многоканальных ОУ с неконтролируемыми возмущениями используются различные адаптивные системы.
Заключение
В работе рассмотрены этапы опытной эксплуатации и внедрения автоматизированных информационных систем.
Рассмотрен пример разработки концепции автоматизированного управления технологическими процессами на примере углеобогатительного производства.
Литература
Пьявченко Т.А., Финаев В.И.. Автоматизированные информационно-управляющие системы. - Таганpог: Изд-во ТРТУ, 2007. - 271 c.
Густав Олссон, Джангуидо Пиани. Цифровые системы автоматизации и управления. – СПб.: Невский диалект, 2001. – 557 с.
Управляющие вычислительные комплексы: Учеб. пособие / Под ред. Н.Л.Прохорова. – 3-е изд., перераб. и доп. – М.: Финансы и статистика, 2003. – 352 с.
Волкова В.Н., Денисов А.А. Основы теории систем и системного анализа. – Спб.: Издательство СПБГТУ, 1997. – 510 с.
Зубов Д.А. Развитие методов и средств адаптивного автоматизированного управления комплексом технологических процессов углеобогатительной фабрики: Дис. … докт. техн. наук: 05.13.07 / Криворожский технический ун-т. – Кривой Рог, 2005. – 534 с.
1
3
нижний
уровень
верхний
уровень
средний
уровень