Технико-экономический эффект управления. роль управления в обеспечении безопасности химического производства и охраны окружающей среды

На сегодняшний день не существует реальных и достаточно результативных методов расчета экономической эффективности от внедрения и эксплуатации АСУ. Из опыта внедрения и эксплуатации АСУ следует, что процесс внедрения АСУ — процесс сложный, во многом противоречивый, и не всегда сразу же проявляется желаемый положительный эффект. Не исключается риск при оплате заказчиком расходов на автоматическое управление и получением в итоге ненадежной и убыточной системы управления. Многие химические и нефтехимические производства — производства сложные, непрерывные, многостадийные, с наличием агрессивных сред, взрывопожароопасных зон и т. д. Каков же должен быть уровень автоматического управления, какие АСУ нужны собственнику, какой критерий оценки эффективности управления для него является самым важным? Наиболее распространенным критерием оценки эффективности управления является прибыль.

Примечание

В 1993 г. исследователями США и Канады было опубликовано сообщение о том, что только треть всех контуров управления на действующих химических предприятиях работает эффективно. Тогда немногие этому поверили. Недавнее обследование (2003 г.) более ста тысяч контуров управления на 350 действующих химических предприятиях США специализированной фирмой Honeywell Process Solutions Phoenix подтвердило эти данные: плохо или удовлетворительно работают 49 % обследованных контуров управления; 32 % — работают в допустимых пределах отклонений КПД от заданного; 16 % — не работают из-за забивки регулирующих клапанов и только 4,4 % обследованных контуров управления в последние два года изменяли параметры настройки управляющих устройств.

Уровень автоматического управления химическим предприятием определяется экономическими условиями. Затраты на автоматическое управление ХТП могут доходить до 20 % от стоимости основного технологического оборудования. Практический опыт последних лет показывает, что внедрение АСУ повышает технико-экономические показатели производства даже без замены или реконструкции основных фондов. Экономическая эффективность достигается прежде всего за счет основных преимуществ АСУ перед человеком. Теперь для управления ХТП в оптимальном режиме просто умения, интуиции, знаний человека недостаточно. Автоматизация технологических объектов управления повышает их технико-экономические показатели (ТЭП) на 3...5 % при значительном (на 30...40 %) снижении трудоемкости получения целевого продукта. Например, на одном из предприятий в производстве аммофоса в результате реконструкции производства и АСУ была увеличена производительность технологического оборудования на 16 %, улучшено качество аммофоса, отмечено снижение на 10 % выбросов аммиака в окружающую среду.

Автоматическое управление обеспечивает большую степень безопасности, надежности и экономичности работы объектов управления, что сокращает время простоев технологического оборудования, предотвращает загрязнение окружающей среды. Усиленно разрабатываются системы активного контроля наличия утечек потенциально опасных сред (газовых, жидких) из технологического оборудования. Например, разработана новая система контроля, состоящая из контроллера, к аналоговым входам которого подключены газоаналитические датчики наличия утечек, а к аналоговым и дискретным выходам — исполнительные устройства (исполнительные механизмы и регулирующие органы), позволяющие управлять безопасностью ХТП. К последним достижениям в области управления безопасностью химических производств можно отнести разработку нейросетевых моделей управления. На выходе нейронной сети в режиме реального времени рассчитываются значения управляющих воздействий, направленных на предотвращение отказов технологического оборудования.

В современных условиях информационные технологии становятся важнейшей составной частью ХТП, во многом определяющих хозяйственные риски. Например, для анализа экологической обстановки, идентификации источника выброса и принятия решения по управлению качеством атмосферного воздуха разработаны ситуационные советующие системы на основе алгоритмов нечетких логических рассуждений, позволяющие выполнять оперативный анализ состояния воздушной среды. И если раньше информатизацию рассматривали как затратную часть бюджета, то сейчас наблюдается тенденция вложения денег в информационные технологии ради получения прибыли.

Понятие АСУТП.

С развитием промышленности в конце XX века резко возросла потребность в высокоэффективных и высоконадежных автоматизированных системах управления технологическими процессами.

Данная потребность обусловлена следующими факторами:

- возросшие требования к повышению качества технологического процесса;

- рост дефицита природных ресурсов;

- появление мощных, компактных, недорогих измерительных и управляющих устройств;

- повышение степени автоматизации производства и перераспределение функций между человеком и аппаратурой.

В настоящее время в России остро стоит вопрос замены устаревших автоматизированных систем управления технологическим процессом (АСУТП). Основными причинами, обуславливающими необходимость замены, являются следующие:

1) невозможность реализации на существующем оборудовании современных подходов к автоматизации, таких как использование компьютерных технологий, микропроцессорной техники и программных систем;

2) устаревшая элементная база существующих на предприятиях АСУТП, как правило, уже не выпускаемая промышленностью;

3) модернизация устаревших АСУТП стоит дороже их полной замены.

Однако, полная замена устаревших АСУТП и установка современных систем «с нуля» требует больших финансовых вложений. В связи с этим часто используется вариант установки относительно недорогих наращиваемых локальных систем, которые постепенно вытесняют старые.

Протекание любого технологического процесса (ТП) есть определенное алгоритмически заданное изменение параметров процесса во времени и пространстве. Следовательно, любой ТП должен сопровождаться информацией о последовательности изменений состояния процесса во времени и пространстве. Информация о ТП зарождается на уровне управления оборудованием и включает в себя:

- технологические параметры оборудования (положение исполнительных механизмов, скорость вращения шпинделей, и т.д.);

- показатели выпуска продукции;

- расход сырья, энергии, воды и т.д.

Управление производственным процессом выполняют АСУТП, нижний уровень которых занимается непосредственно управлением технологическими процессами и оборудованием, а верхний уровень представляет собой системы диспетчерского управления.

Современные АСУТП представляют собой аппаратно-программные комплексы, которые выполняют следующие основные функции:

- сбор информации от объекта управления;

- передача, преобразование и обработка информации;

- формирование управляющих команд и выполнение их на управляемом объекте.

Как известно, любое производство не может полностью обойтись без участия человека. В автоматизированной системе управления человек выполняет следующие основные функции:

- анализ текущего состояния производственного процесса;

- регулировка параметров производственного процесса;

- обработка нештатных, аварийных ситуаций.

Таким образом, возникают предпосылки для создания систем, позволяющих человеку легко наблюдать за поведением системы управления, а также влиять на ее работу. Человек-оператор должен быть обеспечен автоматизированным рабочим местом (АРМ), которое и позволит ему выполнять перечисленные выше функции.

Требования к АСУТП:

1. универсальность (широкий спектр областей применения);

2. низкая стоимость;

3. возможность наращивания системы и объединения нескольких систем в одну;

4. удобство работы оператора (наглядность);

5. простота разработки и внедрения;

6. высокая степень ремонтопригодности и взаимозаменяемости элементов.

Примерная структура современного автоматизированного предприятия и место АСУТП в ней показано на рисунке 1.

Первый уровень, полевой уровень (уровень ввода-вывода), включает набор датчиков и исполнительных устройств, встраиваемых в конструктивные узлы технологического оборудования и предназначенных для сбора первичной информации и реализации исполнительных воздействий.

Современные интеллектуальные датчики выполняют, кроме процесса измерения, преобразования измеряемых сигналов в типовые аналоговые и цифровые значения, самодиагностику своей работы, дистанционную настройку диапазона измерения, первичную обработку измерительной информации, иногда еще ряд достаточно простых, типовых алгоритмов контроля и управления. Они имеют интерфейсы к стандартным/типовым полевым цифровым сетям, что делает их совместимыми с практически любыми современными средствами автоматизации, и позволяет информационно общаться с этими средствами и получать питание от блоков питания этих средств.

Второй уровень, уровень контроля и управления ТП (уровень непосредственное управления), служит для непосредственного автоматического управления технологическими процессами с помощью промышленных контроллеров и характеризуется следующими показателями:

- предельно высокой реактивностью режимов реального времени;

Рис.1. Структура автоматизированного предприятия.

- предельной надежностью (на уровне надежности основного оборудования);

- возможностью встраивания в основное оборудование;

- функциональной полнотой модулей УСО;

- возможностью автономной работы при отказах комплексов управления верхних уровней;

- возможностью функционирования в цеховых условиях.

В промышленные контроллеры загружаются программы и данные из ЭВМ третьего уровня, уставки, обеспечивающие координацию и управление агрегатом по критериям оптимальности управления технологическим процессом в целом, выполняется вывод на третий уровень управления служебной, диагностической и оперативной информации, т. е. данных о состоянии агрегата, технологического процесса.

Этот уровень управления реализуется, например, на промышленных контроллерах Apacs, DeltaV, Centum, Simatic и др.

Третий уровень, уровень диспетчерского управления ТП (SCADA-уровень ─ Supervisory Control and Data Acquisition - сбор данных и диспетчерское управление) или еще называют уровнем человеко-машинного интерфейса HMI/MMI (Human-Machine Interface / Man-Machine Interface), предназначен для отображения (или визуализации) данных в производственном процессе и оперативного комплексного управления различными агрегатами, в том числе и с участием диспетчерского персонала.

Этот уровень управления должен обеспечивать:

- диспетчерское наблюдение за технологическим процессом по его графическому отображению на экране в реальном масштабе времени;

- расчет и выбор законов управления, настроек и уставок, соответствующих заданным показателям качества управления и текущим (или прогнозным) параметрам объекта управления;

- оперативное сопровождение моделей объектов управления типа «агрегат», «технологический процесс», корректировку моделей по результатам обработки информации от второго уровня;

- синхронизацию и устойчивую работу систем типа «агрегат» для группового управления технологическим оборудованием;

- ведение единой базы данных технологического процесса;

- связь с четвертым уровнем.

Отвечая этим требованиям, ЭВМ на третьем уровне управления должны иметь достаточно высокую производительность как при решении задач в реальном масштабе времени, так и при обработке графической информации, обеспечивая работу в реальном времени с базами данных среднего объема и с расширенным набором интеллектуальных видеотерминалов.

Третий уровень управления реализуется на базе специализированных промышленных компьютеров, или в ряде случаев на базе персонального компьютера. Диспетчерский интерфейс реализуется SCADA-системами, например InTouch, iFix, Genesis32, WinCC и др.

Машины третьего уровня должны объединяться в однородную локальную сеть предприятия (типа Ethernet) с выходом на четвертый уровень управления.

Четвертый уровень, уровень управления производством MES (Manufacturing Execution System) - средства управления производством -характеризуется необходимостью решения задач оперативной упорядоченной обработки первичной информации из цеха и передачи этой информации на верхний уровень планирования ресурсов предприятия. Решение этих задач на данном уровне управления обеспечивает оптимизацию управления ресурсами цеха как единого организационно-технологического объекта по заданиям, поступающим с верхнего уровня, и при оперативном учете текущих параметров, определяющих состояние объекта управления. Решение этих задач возлагается обычно на серверы в локальных сетях предприятия.

Пятый уровень, уровень планирование ресурсов производства MRP (Manufacturing Resource Planning) и планирование ресурсов предприятия ERP (Enterprise Resource Planning).

Задачи, решаемые на этом уровне, в аспекте требований, предъявляемых к ЭВМ, отличаются главным образом повышенными требованиями к ресурсам (например, для ведения единой интегрированной - централизованной или распределенной, однородной или неоднородной - базы данных, планирования и диспетчирования на уровне предприятия в целом, автоматизации обработки информации в основных и вспомогательных административно-хозяйственных подразделениях предприятия: бухгалтерский учет, материально-техническое снабжение и т.п.). Обычно для решения задач данного уровня выбирают универсальные ЭВМ, а также многопроцессорные системы повышенной производительности.

Наиболее известные системы этого уровня предлагаются компаниями SAP, Oracle, BAAN и др.

Шестой уровень, уровень высшего менеджмента (OLAP-системы – On-Line Analytical Processing – оперативный анализ данных). Информационные системы масштаба предприятия, как правило, содержат приложения, предназначенные для комплексного многомерного анализа данных, их динамики, тенденций и т.п. Такой анализ в конечном итоге призван содействовать принятию решений. Нередко эти системы так и называются — системы поддержки принятия решений.

Системы поддержки принятия решений обычно обладают средствами предоставления пользователю агрегатных данных для различных выборок из исходного набора в удобном для восприятия и анализа виде. Как правило, такие агрегатные функции образуют многомерный (и, следовательно, нереляционный) набор данных (нередко называемый гиперкубом или метакубом), оси которого содержат параметры, а ячейки — зависящие от них агрегатные данные). Вдоль каждой оси данные могут быть организованы в виде иерархии, представляющей различные уровни их детализации. Благодаря такой модели данных пользователи могут формулировать сложные запросы, генерировать отчеты, получать подмножества данных.

Этот уровень управления должен обеспечивать следующие требования к приложениям для многомерного анализа:

· предоставление пользователю результатов анализа за приемлемое время (обычно не более 5 с), пусть даже ценой менее детального анализа;

· возможность осуществления любого логического и статистического анализа, характерного для данного приложения, и его сохранения в доступном для конечного пользователя виде;

· многопользовательский доступ к данным с поддержкой соответствующих механизмов блокировок и средств авторизованного доступа;

· многомерное концептуальное представление данных, включая полную поддержку для иерархий и множественных иерархий (это — ключевое требование OLAP);

· возможность обращаться к любой нужной информации независимо от ее объема и места хранения.

Следует отметить, что OLAP-функциональность может быть реализована различными способами, начиная с простейших средств анализа данных в офисных приложениях и заканчивая распределенными аналитическими системами, основанными на серверных продуктах.

Источником в OLAP-системах является сервер, поставляющий данные для анализа.

Наиболее известные системы этого уровня предлагаются компаниями Oracle, Arbor, MicroStrategy, Hyperion, Comshareи др.

Как показано на рисунке 1, все уровни автоматизированного предприятия являются связанными между собой при помощи различных аппаратных интерфейсов и соответствующих протоколов обмена данными. При этом на всех уровнях могут быть использованы как универсальные, так и специализированные протоколы. Место ИСПиУ в системе автоматизированного предприятия – верхний уровень АСУТП, осуществляющий управление цехами, участками производства. Однако интеграция отдельных АСУТП в единую систему позволяет говорить о комплексной автоматизации производства. При этом связь уровня АСУТП с уровнем АСУП дает возможность планировать всю деятельность предприятия в комплексе – от поставки сырья до реализации готовой продукции. На уровне высшего руководства деятельность всего предприятия представляется прозрачной.

Структура и функции АСУТП.

Рис.2. Структура АСУТП.

На рисунке 2 приведена примерная структура современной АСУТП.

1. Объект управления представляет собой комплекс технологического оборудования.

2. Датчики и исполнительные механизмы – устройства, предназначенные для преобразования технологических параметров в информационные показатели и обратно.

Датчик – устройство для преобразования физической величины технологического процесса в стандартный электрический сигнал, передаваемый далее в контроллер.

Исполнительный механизм – устройство для преобразования электрического сигнала, поступающего от контроллера, в то или иное физическое воздействие (например: изменение положения заслонки, открывание - закрывание клапана и т.д.).

Существует огромное множество типов датчиков и исполнительных механизмов.

3. Контроллер.Данное понятие широко распространено в вычислительной технике. Вообще, контроллер (от англ. to control - управлять) – это некое устройство, выполняющее функцию связи между ЭВМ и каким-либо внешним или периферийным объектом.

Применительно к АСУТП, контроллер – это электронное устройство с программным управлением и расширенными аппаратными возможностями измерения, управления и связи. Иначе говоря, контроллер представляет собой электронную схему, управляющую технологическим оборудованием, собирающую и анализирующую данные, на основе которых принимаются те или иные решения. Основное назначение контроллера – связь между уровнем датчиков и исполнительных механизмов и уровнем управляющих ЭВМ (серверов).

Конструктивно контроллер представляет собой отдельное устройство, имеющее собственное питание. Контроллер может, как правило, функционировать автономно. При этом контроллер выполняется защищенным от пыли, влаги, электромагнитных излучений.

В качестве локальных программируемых логических контроллеров (ПЛК) в настоящее время применяется большое количество устройств как отечественных, так и зарубежных производителей. Примерная структура ПЛК приведена на рисунке 3.

Блок согласования сигналов осуществляет электрическое согласование датчиков и исполнительных механизмов с входом блока преобразования сигналов.

Блок преобразования сигналов преобразует аналоговый электрический сигнал, поступающий от датчиков, в цифровую форму и передает его центральному процессору, а также преобразует

Рис. 3. Примерная структура ПЛК.

управляющие сигналы процессора в форму, необходимую для управления исполнительными механизмами.

Процессор осуществляет управление всеми блоками контроллера, математическую обработку измеренных технологических параметров, организует хранение данных в блоке памяти, а также осуществляет передачу данных через интерфейс в локальную вычислительную сеть (ЛВС). В данном случае роль ЛВС играет промышленная локальная сеть.

Основные задачи, решаемые контроллером:

- измерение, опрос и управление оборудованием;

- первичное преобразование результатов измерений;

- хранение локального архива данных;

- быстрая и надежная доставка информации на следующий уровень автоматизации;

- обеспечение автономной и бесперебойной работы управляемого узла объекта автоматизации;

- автоматическое управление локальным узлом автоматизации.

Информация с локальных контроллеров может направляться в промышленную сеть непосредственно, либо через контроллеры верхнего уровня – концентраторы (см. рис 4).

Концентраторы– это коммуникационные контроллеры; они выполняют функции вторичной обработки информации (преобразование, накопление, сжатие), а также выполняют функции локального управления небольшими группами контроллеров, разгружая тем самым системы верхнего уровня.

Рис. 4. Способы подключения контроллеров к локальной сети.

Перечислим задачи, решаемые концентраторами:

- сбор данных с локальных контроллеров;

- обработка данных;

- поддержание единого времени во всей системе (синхронизация);

- локальная синхронизация работы контроллеров;

- хранение технологических данных;

- организация взаимодействия между локальными контроллерами;

- обмен информацией с верхним уровнем;

- работа в автономном режиме при нарушении связи с верхним уровнем;

- обеспечение резервирования каналов передачи данных.

К аппаратно-программным средствам контроллерного уровня управления предъявляются жесткие требования по надежности, времени реакции на поступающие сигналы и т.д. Программируемые логические контроллеры должны гарантированно откликаться на внешние события, поступающие от объекта за время, определенное для каждого события. Для критичных с этой точки зрения объектов рекомендуется использовать контроллеры с операционными системами реального времени (ОС РВ). Контроллеры под управлением ОС РВ функционируют в режиме жесткого реального времени.