В соответствии со спецификой процессов автоматически должны регулироваться, в основном, теплотехнические параметры: температура, давление, расходы, уровни, плотность и химический состав газов и жидкостей. Проектом предусмотрено несколько тысяч точек контроля этих параметров. Измеряемые в ходе процесса значения преобразуются на месте в стандартные электрические сигналы и передаются в помещения КИПиА (посты управления). На взрывоопасных участках эти сигналы преобразуются в пневматические, которые управляют исполнительными органами. В качестве исполнительных органов в контурах регулирования предусмотрены дроссельные клапаны и регулируемые вентили с электрическими или пневматическими сервоприводами. Любой из них при отказе регулятора может быть перемещён вручную из поста управления, причём положение исполнительного органа указывается на пульте управления.
Каждое устройство сигнализации состоит из электронной системы извещения о неисправности с оптической индикацией поступающих сообщений. Существующие системы измерений технологических параметров и автоматизации реализованы на технических средствах TELEPERMC. В качестве устройств по сбору информации о состоянии агрегатов и формированию предупредительной, аварийной сигнализации, блокировок, а также для управления, сейчас частично используются программируемые контроллеры SIMATICS3.
На данный момент в отделении металлизации осуществляется контроль и регулирование технологических процессов с помощью системы автоматического управления технологическими процессами фирмы SimensAG, но начат постепенный переход с SimaticS3 на программно - аппаратный комплекс на базе универсальных программируемых промышленных контроллеров фирмы "ЭМИКОН" серии ЭК-2000 [36].
Специалистами управления автоматизации и метрологии комбината совместно с ЦОиМ была разработана и внедряется поэтапная программа модернизации установки автоматической системы управления. Уже осуществлена модернизация системы контроля и блокировок на шахтной печи №1; № 2. На очереди шахтные печи №3, № 4, на которых практическое выполнение работ было начато летом 2003 года.
Суть этой программы заключается в следующем: информация с первичных датчиков (преобразователей) поступает на универсальный микропроцессорный контроллер в виде токовых сигналов на соответствующие аналого-цифровые преобразователи (АЦП). Информационная панель установлена рядом с контроллером на двери шкафа. На информационной панели находится жидкокристаллический матричный дисплей и клавиатура. Панель подсоединяется к контроллеру по последовательному интерфейсу RS-485. На лицевой стороне панели имеются также светодиодные индикаторы, отражающие работу и связь панели с контроллером.
С контроллера значения контролируемых параметров передаются на операторские станции технолога по последовательному интерфейсу RS-485 с использованием сетевых модулей С-02А контроллера и С-05А компьютера операторской станции со скоростью 2,5 Мбит/с. На операторских станциях представлена вся информация о текущих значениях контролируемых параметров в цифровом и графическом виде. Оператор на основании этой информации принимает решения о необходимости управления тем или иным процессом. Управление осуществляется вручную с пульта управления в виде выдачи локальным регуляторам управляющих сигналов. Но оператору не всегда удаётся выбрать оптимальный режим. Как правило, все параметры работы печи устанавливаются на некоторое среднее значение, так чтобы при приемлемом качестве продукции была нормальная производительность печи.
3.1.2 Направление дальнейшего развития
Дальнейшее продвижение автоматизации в цеху металлизации возможно на пути решения задач управления производственным процессом. Это предполагает взаимосвязанное управление различными системами.
Возникающие при этом трудности связаны, в первую очередь, с особенностями технологического процесса (не всегда процесс протекает в нормальных условиях). Во вторую очередь, необходимо отметить, что очень не многие технологии управления сложными процессами сейчас могут реализовать полностью автоматическое управление. Здесь, можно отметить, по крайне мере, следующие проблемы:
- формализация задачи и построение математической модели;
- непредсказуемость объекта по параметрам и возмущениям;
- реализации АСУП для работы в режиме реального времени;
3.2 ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ
Решение задачи должно соответствовать модульной концепции агрегатов так, чтобы функции управления отдельными элементами агрегата включались в общую схему и, чтобы обеспечить взаимосвязанное управление различными системами, включающими в себя сложные многопараметрические процессы.
Система должна обрабатывать и анализировать на входе несколько сотен сигналов с установки металлизации и управлять исполнительными объектами в реальном времени. Также необходимость адаптации машины к изменяющимся внешним условиям и сохранение приобретённого опыта – одно из основных свойств.
Для реализации этих условий необходимо проанализировать и выбрать адекватный подход к решению задачи.
3.3 ОБЗОР ТЕХНОЛОГИЙ УПРАВЛЕНИЯ
3.3.1 Традиционные схемы управления
1. ПИ, ПИД контроллеры
Одними из первых систем управления были ПИ и ПИД контроллеры. Они доказали свою эффективность в управлении разнообразными процессами [3]. Использование ПИ и ПИД контроллеров не требует знания точной модели процесса, поэтому они эффективны в управлении промышленными процессами, математические модели которых достаточно сложно определить. ПИ и ПИД контроллеры строятся на основе классической теории управления. Установление связей между параметрами и управление действиями системы могут осуществляться инженерами-практиками и операторами
В большинстве случаев настройки, оптимальные значения ПИ и ПИД параметров достигаются путем минимизации взвешенного интеграла квадратичной ошибки.
Однако, наряду с вышеуказанными достоинствами, ПИ и ПИД контроллеры имеют и ряд недостатков. Так, если рабочая точка процесса изменяется из-за возмущений, параметры контроллера требуется перенастраивать вручную, чтобы получить новую оптимальную настройку. Настройка должна выполняться опытным оператором. Для систем с взаимодействующими контурами эта процедура может быть сложной и занимать много времени. Кроме того, для процессов с переменными параметрами, временными задержками, существенными нелинейностями и значительными помехами использование ПИ и ПИД контроллеров может не обеспечить оптимальных характеристик. Методы настройки ПИ и ПИД контроллеров также имеют ряд недостатков. Например, чувствительность к возмущениям или требуется человеко-машинное взаимодействие, в ходе которого оператор должен генерировать входные сигналы каждый раз, когда требуется изменение параметров с целью адаптации к изменению динамики процесса.
Управление с самонастройкой
По вышеупомянутым причинам необходимо, чтобы параметры контроллера настраивались в оперативном режиме управления с самонастройкой, в котором используется концепция машины, автоматически выполняющей самонастройку в целях управления произвольным динамическим процессом [3,19,20].
Управление с самонастройкой можно рассматривать как вид управления, выполняющий две основные задачи в замкнутом цикле обратной связи. На ней показаны обе основные задачи системы самонастройки. Первая из них — сбор информации о текущем состоянии управляемого процесса. К данной задаче относится постоянное определение текущего состояния управляемого процесса на основе измеренных данных о входе и выходе процесса, а также сигналов состояния.
Полученная информация используется для идентификации системы, которая включает определение структуры модели, оценку ее параметров, а также оценку параметров неконтролируемых сигналов (например, шумовых сигналов в стохастических системах). Определение структуры модели требует построения вида математического представления системы, соответствующего решаемой задаче. Оценка параметров представляет собой ключевой элемент самонастройки. Она выполняется в оперативном режиме. Для управления с самонастройкой используется несколько схем рекурсивной оценки параметров. Наиболее распространенная схема — рекурсивный метод оценки на основе метода наименьших квадратов или его расширение — UD факторизационный метод, который является более надежным.
Вторая задача системы самонастройки — задача проектирования (контроллера); ее решение обычно базируется на оптимизации критерия оптимальности управления. Цель управления задается для каждой конкретной системы, при этом требуется принять решения в отношении того, как контроллер должен адаптироваться или настраиваться. На этой основе рассчитывается новый набор параметров контроллера (взамен прежних параметров в цикле управления). Эта часть процесса известна как этап ратификации или утверждения. Одно из основных достоинств системы самонастройки состоит в том, что данный процесс выполняется в оперативном режиме и в реальном времени. При традиционном методе процесс утверждения обычно выполняется в автономном режиме, результаты часто оказываются неудовлетворительными, и весь процесс моделирования и проектирования приходится повторять. Расчет закона управления выполняется на основе процедуры, называемой эквивалентом определенности, в ней неопределенность текущих оценок параметров игнорируется.
3.3.2 Управление на основе искусственного интеллекта
Экспертные системы
Общие понятия
Экспертные системы (ЭС) - это набор программ или программное обеспечение, которое выполняет функции эксперта при решении какой-либо задачи в области его компетенции. ЭС, как и эксперт-человек, в процессе своей работы оперирует со знаниями [18]. Знания о предметной области, необходимые для работы ЭС, определенным образом формализованы и представлены в памяти ЭВМ в виде базы знаний, которая может изменяться и дополняться в процессе развития системы.