При формировании АСУ ТП приходится иметь дело с технологическим объектом управления (ТОУ), представляющим совокупность технологического процесса и реализующего его оборудования. Под технологическим процессом понимается совокупность последовательных и параллельных операций, направленных на достижение требуемого производственного результата.
Анализ особенностей автоматизации управления процессами и машинами шахты базируется на технологических комплексах, под которыми понимается совокупность технологически (а часто и конструктивно) связанных машин и механизмов, выполняющих законченный цикл производственных операций. Примерами служат очистные и проходческие комплексы и агрегаты, комплексы загрузки и разгрузки вагонеток и железнодорожных вагонов и др.
Создание комплексов машин и механизмов позволяет учесть специфические условия их функционирования (горнотехнические, технологические, безопасности и др.), обеспечить рациональную конструкцию каждого механизма и определение его функций, гарантировать успешность их взаимодействия. На этой базе осуществляется рациональное иерархическое построение общей структуры управления, в которой комплекс, обычно управляемый оператором, является ТОУ. Наиболее эффективен системный подход с одновременным решением задач технологических, механизации, автоматизации, системного управления. Надо рассматривать совокупности ТОУ — АСУ ТП или технологический комплекс — АСУ ТП, являющиеся законченными автоматизированными технологическими комплексами (АТК).
В развитии техники производства принципиально новым является резко возросшее значение автоматизированных машин. Все больше появляется машин, которые в принципе не могут быть не автоматизированными (например, угольные комбайны при скорости перемещения более 3 м/мин, высокопроизводительные конвейеры с большими скоростями движения ленты и др.), поскольку сложности управления и непосредственного сопровождения (например, комбайнов) таких машин выходят за пределы возможностей человека. Можно, сказать, что в машинах существует качественный рубеж (определенная величина рабочих параметров — скорости, производительности, линейных размеров рабочих органов и т. п.), перейдя который, нельзя работать на неавтоматизированной машине (имеется в виду обеспечение эффективной, безаварийной и безопасной для персонала работы). В изданной ранее работе рассмотрены основные требования к конструкции машины, удовлетворение которых необходимо для ее эффективной автоматизации. Создание АСУ ТП требует развития этих требований, поскольку при функционировании в условиях АСУ ТП технологическая машина должна рассматриваться одновременно как объект автоматического управления или регулирования (объект автоматизации) в конкретной локальной системе управления и АСУ ТП и как информационный объект в общешахтной системе оперативно-диспетчерского управления.
На шахте АСУ ТП может объединять в единое технологическое целое отдельные машины, управлять технологическими комплексами машин, технологическими линиями и системами машин, или комбинированными из названных объектов технологическими системами. Следовательно, АСУ ТП может управлять группой технологически взаимосвязанных одиночных машин и механизмов. Эти связи могут быть более или менее жесткими. При жесткой взаимосвязи останов одной машины вызывает останов другой (например, при останове забойной конвейерной линии остановится выемочная машина). Аналогичная ситуация может сложиться для целых процессов и более крупных технологических объектов. Например, при останове электровозного транспорта остановится очистной участок, если нет аккумулирующих емкостей для угля, но в последнем случае связь оказалась бы нежесткой.
АСУ ТП может управлять сложившимся технологическим комплексом машин, механизирующим все или основные операции соответствующего процесса (примером чему служит очистной гидрофицированный комплекс), а также технологической линией, например, разветвленной высокопроизводительной конвейерной линией с промежуточными емкостями или линией механизмов технологического комплекса поверхности шахты.
Более сложными комплексными технологическими линиями (реализующими два и более процессов) или дискретными технологическими системами машин должна управлять автоматизированная система диспетчерского управления шахтой — АСДУ, поскольку при этом возникают задачи межпроцессной координации работ. Такими комплексными технологическими линиями (или системами машин) являются: очистной комплекс — участковая конвейерная линия — магистральная конвейерная линия (при сплошной конвейеризации шахты) или очистной комплекс — электровозный транспорт, или очистной комплекс — электровозный транспорт — шахтный подъем и др. Можно считать, что на гидрошахте и обогатительной фабрике мы имеем примеры непрерывных технологических систем.
Таким образом, технологическая машина, как объект управления, может входить в состав трех систем управления: 1) локальной автоматизированной (автоматической) системы управления данной машиной; примером служит система САДУ, автоматически управляющая нагрузкой главного двигателя и скоростью подачи выемочного комбайна в зависимости от изменения крепости угля; 2) автоматизированной (в идеале автоматической) системы управления технологическим процессом, в котором работает эта машина; 3) автоматизированной системы диспетчерского управления шахтой.
В качестве объекта управления в локальной автоматизированной (автоматической) системе технологическая машина (комплекс) должна оснащаться: средствами автоматического отбора информации (технологическими датчиками), устройствами переработки и сравнения этой информации с установкой и выработки управляющих воздействий (регуляторами), исполнительными устройствами для реализации управляющих воздействий (переключений в цепях, открытия и закрытия вентилей, подъема и поворота рабочего органа и др.).
Для выработки управляющих воздействий может служить не локальный регулятор, а УВМ. Если аппаратура управления размещается непосредственно на машине, каналы связи локальной системы формируются легко, если пункт управления (оператора) удален, то возникает задача формирования каналов связи для передачи контрольных и управляющих сигналов.
В качестве объекта управления в АСУ ТП технологическая машина должна оснащаться технологическими датчиками, устройствами выхода на системные каналы связи, исполнительными устройствами.
Каналы связи этой системы или общешахтные, телемеханические или же физически выделенные обслуживают обычно систему в целом, т. е. комплекс машин, управляемых данной АСУ ТП. Средства обработки контрольной информации и выработки управляющих воздействий (УВМ или специализированные вычислительные устройства) — обычно общие для АСУ ТП. На технологических машинах могут использоваться собственные простые вычислительные устройства или регуляторы, на уставки которых воздействует УВМ системы.
АСУ ТП управляющей командой воздействует непосредственно на исполнительное устройство системы (имеющееся в технологической машине), либо на локальную автоматическую систему (т. е. на уставку регулятора), которая сама отрабатывает необходимые действия, либо на локальную автоматизированную систему управления.
Если АСУ ТП воздействует непосредственно на исполнительное устройство, то первичная информация от датчиков поступает в центр управления — в УВМ. Если АСУ ТП воздействует на локальную автоматическую или автоматизированную систему (на регулятор или оператора), то в УВМ может направляться не вся отбираемая датчиками информация. Часть последней замыкается в локальной системе, а в УВМ идет информация, минимально необходимая по принятому алгоритму управления для контроля за работой технологической машины и выработки управляющих воздействий (уставок регуляторов или «советов» оператору).
В качестве объекта управления в АСДУ технологическая машина должна давать на ЦДП контрольно-измерительную и учетную информацию об основных параметрах (с учетом того, что АСДУ непосредственно не управляет этой машиной), а также информацию, необходимую для межпроцессной координации работ на шахте. Сюда входит и часть информации, которая автоматически отбирается датчиками локальной системы: эта информация должна доставляться одновременно в локальную систему и АСДУ либо из локальной системы (пройдя там некоторую переработку) — АСДУ. Может оказаться необходимым отбор для АСДУ информации, которая не нужна для функционирования локальной системы управления. Для отбора такой информации применяют специальные информационные датчики.
Так, для межпроцессной координации, выполняемой АСДУ, необходима информация по очистному забою о времени простоев, машинном времени, положении выемочной машины по длине лавы, производительности и интенсивности работы очистного оборудования, суммарной добыче за определенное время, отклонениях от плана добычи за текущее время и др. Эта информация используется при прогнозировании работы смены, планировании подачи порожняка и др. Для локальной системы управления выемочной машиной по критериям крепости угля, максимального использования мощности привода такая информация не нужна. Часть этой информации, поступающей из локальной системы управления очистным забоем (очистным комплексом, выемочной машиной), является одновременно входной информацией для АСУ ТП другого процесса — электровозной откатки.
К технологической машине следует предъявлять обобщенные- требования для- обеспечения ее эффективной работы в автоматизированном процессе, как к объекту управления, входящему одновременно во все три рассмотренные автоматизированные системы управления: к уровню машины, уровню процесса и уровню шахты. Технологическая машина, рассчитанная на автоматизированное или автоматическое управление, должна при конструировании оснащаться органически встроенными средствами автоматизации, обеспечивающими ее работу: 1) без постоянного вмешательства оперативного персонала, с высокой надежностью и предупреждением возникновения наиболее характерных неисправностей; 2) при автоматическом или автоматизированном выполнении и смене рабочих режимов, управлении движением и положением машины в пространстве. Детальный анализ этих положений показал, что для эффективного функционирования технологической машины и автоматизированной (в предельном случае в автоматической) системе управления она должна оснащаться в общем случае следующими видами технических средств управления (автоматизации):
1. Устройства, обеспечивающие непосредственный или косвенный автоматический контроль исправности ответственных узлов с целью предупреждения неисправностей, требующих для ликвидации вмешательства персонала.
2. Автоматическая система технической диагностики, если это рационально по техническому и экономическому критериям.
3. Автоматические блокировочные связи — аварийные, предупреждающие переход машины или отдельных ее частей за допустимые «крайние положения», и технологические — с предшествующими и последующими по технологии работы автоматизированными машинами.
4. Необходимые виды автоматической защиты, например, технологическая защита, электрическая защита (от перегрузок, недопустимого падения напряжения и др.).
5. Развитая система автоматической сигнализации о состоянии и положении важнейших органов машины, нарушениях заданного режима работы и его восстановлении, аварийных ситуациях, нахождении машины в определенном нагрузочном режиме (работа, холостой ход, останов и т. д.), об изменениях контролируемых режимных параметров — нагрузочных, скоростных и других, положении и перемещении рабочих органов и т. д. Используется сигнализация четырех видов: безопасности, аварийная, предупредительная производственная, рабочая производственная.
6. Средства автоматического отбора информации (первичными преобразователями информации — технологическими датчиками), контролирующие: режимные параметры (мощность, нагрузку, производительность, скорость, давление, машинное время, простои и др.); положение и перемещение рабочих органов; пространственное взаиморасположение машин, реализующих в совокупности технологический процесс; последовательность работы и перемещений машин, реализующих технологический процесс (выполнение цикла функционирования совокупности машин).
7. Средства автоматического контроля режимных параметров, положения и перемещения органов машины (показывающие и регистрирующие приборы, индикаторы и др.).
8. Средства автоматического регулирования параметров (производительности, нагрузки, скоростей рабочих органов, мощности и др.). включая регуляторы локальной автоматической системы управления, уставки которых могут устанавливаться оператором локальной системы непосредственно или дистанционно (при наличии УВМ, входящей в АСУ ТП, возможно с учетом ее «совета») или УВМ — дистанционно.
9. Средства (системы) программирования работы по основным параметрам и последовательности действий органов машины (выполнения цикла рабочих и вспомогательных операций, а также контроля выполнения программ) с целью введения с учетом технической и экономической целесообразности, автоматического программного управления работой машины.
10. Исполнительные устройства, реализующие команды, выработанные в АСУ ТП или локальной автоматической системе для управления машиной (автоматические команды от УВМ, команды локального регулятора или оператора).
11. Средства дистанционно-автоматического управления и контроля за работой машины, в том числе средства дистанционного изменения уставок регуляторов.
12. В необходимых случаях средства дистанционно-автоматического управления с пульта данной машины другими машинами, объединяемыми общностью технологического процесса.
13. Каналообразующая аппаратура, аппаратура передачи информации, аппаратура связи для формирования необходимых в конкретных случаях каналов связи: телемеханического проводного канала или радиоканала для обмена кодовой информацией (сигналами) с системой управления; каналов оперативно-речевой телефон¬ной или громкоговорящей связи, например каналов оператор машины — оператор АСУ ТП, оператор машины — диспетчер шахты, оператор АСУ ТП (если он находится у головной машины процесса) — диспетчер шахты и т. д.; каналов аварийной телефонной и громкоговорящей связи; каналов специальной технологической телефонной связи, например, связи машиниста комбайна с погрузочным пунктом лавы, связи по трассе конвейерной линии и т. п.
С конструктивно-компоновочной точки зрения реализация вышеприведенных требований должна осуществляться посредством оснащения технологической машины аппаратурой локальной автоматизированной (автоматической) системы управления, необходимыми дополнительными информационными датчиками (по требованиям АСДУ, поскольку АСУ ТП соответственного процесса таких дополнительных требований к информации, видимо, не предъявит), аппаратурой связи и др. В этом состоит сущность подготовки к автоматизации машины (производства) в традиционном понимании и ее включению в АСУ ТП. Теперь — это единая задача, поскольку автоматизация производства, как было показано ранее, реализуется в форме АСУ ТП.