Место АСУ ТП в интегрированной автоматизированной системе управления предприятием

Как правило, система управления сложными объектами является многоуровневой иерархической. По такому принципу строится управление государством, отдельным регионом, отраслью, производственным объединением, отдельным предприятием или организацией.

Управление крупным производственным предприятием является весьма сложной проблемой, включающей целый комплекс организационно-экономических задач и задач управления технологическими процессами, машинами, механизмами и оборудованием. В многоуровневой иерархической системе управления подсистемы вышестоящих уровней устанавливают задания для нижестоящих, координируют, контролируют и анализируют их работу. Подсистемы нижних уровней ведут управление своими объектами в соответствии с полученным заданием, формируют и передают информацию для вышестоящих и смежных подсистем. Необходимо отметить общую закономерность в иерархических системах управления: чем ниже уровень подсистемы в иерархии, тем выше скорость обновления информации.

Интегрированная автоматизированная система управления предприятием охватывает решение задач управления всех уровней на основе единой распределенной информационной базы.

АСУП или так называемые ERP-системы (от английского Enterprise Resource Planning System – Система планирования ресурсов предприятия) решают следующие задачи верхних уровней иерархии управления предприятием:

- различные виды планирования и учета производства;

- ведение договоров;

- расчет материальных и энергетических балансов;

- анализ результатов деятельности предприятия за какой-то период;

- снабжение производства и сбыт продукции;

- управление финансами;

- управление персоналом;

- ведение складского и транспортного хозяйств;

- анализ и прогнозирование состояния оборудования.

АСУ ТП охватывают задачи нижних уровней – уровней управления технологическим процессом, оборудованием, машинами и механизмами. При этом процесс обработки информации, формирования и реализации управляющих воздействий в АСУ ТП должен проходить в темпе протекания технологического процесса, то есть в реальном масштабе времени. Обмен информацией с вышестоящими подсистемами АСУП и смежными АСУ ТП, как правило, проходит менее интенсивно.

В свою очередь, АСУ ТП также строятся по иерархическому принципу.

Функции и состав АСУ ТП

Функции АСУТП

Перечень функций АСУ ТП весьма обширен и зависит от конкретного объекта автоматизации [2,3]. Однако все эти функции принято делить на три категории:

- информационные функции АСУ ТП;

- управляющие функции АСУ ТП;

- вспомогательные функции АСУ ТП.

К информационным относят функции, главным содержанием которых является сбор, предварительная обработка, хранение, передача и представление информации пользователям в удобном для них виде. Пользователями могут быть люди, а также различные функциональные задачи. В состав типовых информационных функций входят:

- сбор информации о технологических параметрах и состоянии оборудования;

- фильтрация входных сигналов от высокочастотных помех измерения;

- пересчет сигналов в физические величины;

- контроль технологических параметров на физическую достоверность, на соответствие технологическому регламенту, на достижение аварийных границ;

- косвенные измерения параметров (получение оценки технологического параметра, который непосредственно не измеряются, в результате математической обработки измеряемых сигналов, функционально связанных с этим параметром). Примером косвенных измерений является оценка концентрации серной кислоты по результатам измерения её плотности и температуры;

- оценка состояния технологического оборудования;

- ручной ввод информации в систему с использованием пульта оператора или клавиатуры;

- обмен информацией между вычислительными средствами АСУ ТП (контроллеры, станции распределенной периферии, рабочие и инженерные станции, серверы);

- формирование и выдача сигналов световой и звуковой сигнализаций;

- визуализация информации в удобном для оперативного персонала виде;

- архивирование информации о ходе технологического процесса, о нарушениях технологического регламента, о возникновении аварийных ситуаций;

- ведение базы данных реального времени;

- подсчет технико-экономических показателей производства;

- прогнозирование аварийных ситуаций (например, формируется сообщение: «Температура подшипника растет, через 15 минут будет достигнут максимально допустимый уровень»);

- обмен данными со смежными и вышестоящими системами управления;

- формирование сменных и суточных отчетов.

К управляющим функциям АСУ ТП относятся функции, результатами которых является выработка и реализация управляющих воздействий на объект управления. Типовыми управляющими функциями АСУ ТП являются:

- определение и реализация оптимального режима функционирования каждого из технологических агрегатов;

- стабилизация технологических параметров (давлений, температур, уровней);

- программное управление изменением технологических параметров (реализация заданного графика изменения температуры в печи);

- поддержание определенного соотношения между параметрами (например, соотношение газ/воздух на горелке, соотношение руда/вода в мельнице мокрого самоизмельчения);

- логическое управление технологическим оборудованием (например, при достижении заданного уровня воды в емкости № 1, выключить насос № 1, включить нагреватель емкости № 1, проверить уровень в емкости № 2, если он ниже нормы, включить насос № 2);

- пуск и останов отдельных агрегатов и технологической линии в целом;

- аварийное отключение (например, отсечка подачи газа на горелку при снижении давления в газовой магистрали, продувка камеры сгорания воздухом);

- выдача оператору рекомендаций по управлению процессом (например, «Рекомендуется снизить подачу руды в мельницу на 25 т/час из-за угрозы завала»).

Вспомогательные функции АСУ ТП состоят в контроле функционирования технических и программных средств самой системы автоматизации. Контроллеры, станции распределенной периферии, панели оператора, инженерные станции, SCADA системы имеют в своем составе развитые средства диагностики.

Состав АСУ ТП

Знакомство с каталогами, сайтами, рекламными материалами ведущих мировых производителей систем автоматизации [5,6], а также фирм - системных интеграторов в области АСУ ТП, могут создать впечатление, что АСУ ТП – это просто совокупность технических средств (hard) и программного обеспечения (soft). Безусловно, технические средства и программное обеспечение - очень важные элементы системы автоматизации, во многом определяющие уровень и потенциальные возможности АСУ ТП. Однако, только глубокая проработка всех составных частей системы, вопросов их взаимодействия и совместимости, обеспечивают успешное функционирование автоматизированного объекта.

В состав АСУ ТП входят следующие компоненты:

- информационное обеспечение;

- техническое обеспечение;

- математическое обеспечение;

- программное обеспечение;

- организационное обеспечение;

- метрологическое обеспечение;

- эргономическое обеспечение;

- оперативный персонал.

2.2.1 Информационное обеспечение АСУ ТП включает:

- исходные данные, используемые в процессе разработки или эксплуатации системы;

- промежуточные данные, хранящиеся в базах данных реального времени, используемые для дальнейшей обработки;

- выходные данные, передаваемые для реализации на исполнительные устройства, отображаемые визуально на панелях операторов, табло и мониторах рабочих станций, передаваемых пользователям в электронном или бумажном виде;

- принятые формы входных и выходных документов (электронных или бумажных);

- принятая система кодирования информации;

- электронные архивы данных.

В состав информационного обеспечения входят внемашинные (на бумажных носителях) и внутримашинные (на электронных носителях)компоненты. Так, например, к внемашинным компонентам можно отнести технологический регламент, определяющий допустимые пределы изменения технологических параметров, условия аварийных отключений, порядок пуска и останова оборудования и т.п. К внутримашинному информационному обеспечению относятся входные сигналы, поступающие от датчиков, а также выходные сигналы на исполнительные устройства, архивы нарушений технологического регламента, графики изменений контролируемых параметров, сформированные на экране монитора и т.п.

2.2.2 Техническое (аппаратное) обеспечение – это комплекс технических средств, обеспечивающих выполнение всех функций АСУ ТП, а также обеспечивающих взаимодействие персонала с техническими средствами системы и с технологическим процессом. В состав технического обеспечения входят:

- средства сбора информации (измерительные преобразователи, счетчики, сигнализаторы, устройства ручного ввода);

- исполнительные устройства;

- программируемые логические контроллеры;

- устройства распределенного ввода/вывода;

- операторские станции;

- инженерные станции;

- серверы;

- панели оператора;

- программаторы;

- сетевые адаптеры;

- преобразователи частоты;

- пускатели;

- концевые выключатели;

- кабели связи;

- табло;

- устройства световой и звуковой сигнализации.

2.2.3 Математическое обеспечение – это совокупность математических моделей, методов, алгоритмов решения различных задач, используемая на этапе проектирования и в процессе эксплуатации АСУ ТП. К этому виду обеспечения относятся:

- методы фильтрации сигналов;

- методы идентификации математических моделей;

- математические модели объектов управления;

- методы анализа, синтеза и настройки контуров регулирования;

- алгоритмы управления и регулирования;

- методы анализа устойчивости и точности систем;

- методы и алгоритмы оптимизации (поиска экстремума);

- методы принятия решений;

- алгоритмы адаптации параметров системы управления;

- алгоритмы косвенных измерений;

- методы прогнозирования случайных последовательностей;

- методы наблюдения состояния динамической системы;

- интеллектуальные алгоритмы управления.

2.2.4 Программное обеспечение – совокупность программ, обеспечивающих функционирование всех цифровых вычислительных средств АСУ ТП (контроллеры, серверы, рабочие и инженерные станции, программаторы, панели оператора), а также решающих все функциональные задачи на этапах разработки, наладки, тестирования и эксплуатации системы. Программное обеспечение принято делить на две категории:

- общее программное обеспечение, включающее операционные системы, SCADA-системы, пакеты программ для программирования контроллеров, компиляторы, редакторы и т.п. Общее программное обеспечение не привязано к конкретному объекту автоматизации, закупается и поставляется так же, как и технические средства.

- специальное программное обеспечение – это программы, разработанные для конкретной АСУ ТП. К этой категории относятся программы для контроллеров, реализующие определенные функциональные задачи обработки информации и управления; программы, сгенерированные в среде SCADA-системы для визуализации, архивирования данных конкретного технологического процесса.

2.2.5 Организационное обеспечение –совокупность документов, устанавливающих порядок и правила функционирования оперативного персонала АСУ ТП, а также организационные мероприятия, направленные на успешное внедрение системы и на безопасное ведение технологического процесса. В частности, к организационному обеспечению относятся:

- технологический регламент производства в условиях функционирования АСУ ТП;

- описание функциональной, организационной и технической структур автоматизированного технологического комплекса;

- штатное расписание, должностные инструкции технологического и оперативного персонала в условиях функционирования АСУ ТП;

- инструкция по пуску и останову технологических агрегатов в условиях АСУ ТП;

- обучение персонала работе с АСУ ТП;

- правила техники безопасности в условиях АСУ ТП.

2.2.6 Метрологическое обеспечение - установление и применение научных и организационных основ, технических средств, правил и норм, необходимых для достижения единства и требуемой точности измерения.

Возможность применения результатов измерений для правильного и эффективного решения любой задачи определяется следующими тремя условиями:

- результаты измерений выражаются в узаконенных (установленных законодательством России) единицах;

- значения показателей точности результатов измерений известны с необходимой заданной достоверностью;

- значения показателей точности обеспечивают оптимальное в соответствии с выбранными критериями решение задачи, для которой эти результаты предназначены (результаты измерений получены с требуемой точностью).

Если результаты измерений удовлетворяют первым двум условиям, то о них известно всё, что необходимо знать для принятия обоснованного решения о возможности их использования. Такие результаты можно сопоставлять, они могут использоваться в различных сочетаниях, различными людьми, организациями. В этом случае говорят, что обеспечено единство измерений – состояние измерений, при котором их результаты выражены в узаконенных единицах и погрешности результатов не выходят за установленные границы с заданной вероятностью. Правила и нормы по обеспечению единства измерений установлены в Законе РФ «Об обеспечении единства измерений» и в нормативных актах Государственной системы обеспечения единства измерений (ГСИ).

Третье из перечисленных выше условий определяет требования к точности применяемых методов и средств измерений. Недостаточная точность измерений приводит к увеличению ошибок и, как следствие, к экономическим потерям. Завышенные требования к точности измерений требуют дополнительных затрат на приобретение более дорогих средств измерений. Поэтому это требование влияет не только на метрологические, но и на экономические показатели системы.

Если при измерениях соблюдаются все три условия (обеспечивается и единство, и требуемая точность измерений), то говорят о метрологическом обеспечении.

Необходимо отметить, что в АСУ ТП данные, полученные от измерительных преобразователей, проходят целый ряд этапов обработки и преобразования:

- аналоговая фильтрация от высокочастотных помех;

- дискретизация сигнала во времени;

- аналого-цифровое преобразование с определенной разрядностью;

- цифровая фильтрация.

Такая обработка, в общем случае, изменяет метрологические характеристики результирующих данных в сравнении с исходными данными от датчика, вносит временную задержку. Поэтому для корректного использования данных АСУ ТП (например, данных коммерческого учета тепловой и электрической энергии) необходимо выполнить оценку метрологических характеристик этих данных с учетом всех этапов обработки.

2.2.7 Эргономическое обеспечение – это нормы эргономики и инженерной психологии, положенные в основу проектирования АСУ ТП. Прежде всего, это касается организации пультов оператора, мнемосхем, табло, устройств световой и звуковой сигнализации и других элементов так называемого человеко-машинного интерфейса системы. Эргономика и инженерная психология помогает выбрать рациональное расположение автоматизированных рабочих мест (АРМ) персонала, формы отображения информации на мониторах и табло, вид технологической клавиатуры и т.п.

Разработка АСУ ТП без учета рекомендаций эргономики повышает вероятность ошибок оперативного персонала, увеличивает время реакции на событие, вызывает дополнительные психологические нагрузки. Типовые аппаратно-программные решения ведущих производителей систем автоматизации выполнены в соответствии с современными требованиями эргономики, инженерной психологии и технической эстетики.

2.2.8 Оперативный персонал – состоит из технологов-операторов диспетчеров), аппаратчиков, машинистов, осуществляющих контроль и управление технологическим объектом и эксплуатационного персонала служб КИПиА, обеспечивающих правильное функционирование всех технических и программных средств АСУ ТП. Следует заметить, что, несмотря на повышение уровня автоматизации технологических процессов, роль оперативного персонала в АСУ ТП остается чрезвычайно высокой. Состав оперативного персонала конкретной АСУ ТП и установленные взаимоотношения между его работниками определяют организационную структуру системы.

Еще раз отметим, что эффективное функционирование АСУ ТП может быть достигнуто лишь в случае правильного выбора и постоянного взаимодействия всех видов обеспечения АСУ ТП. Так, например, высокие технические характеристики аппаратных средств и современное общее программное обеспечение окажутся невостребованными, если в математическом и специальном программном обеспечении не будет необходимых математических моделей, методов, алгоритмов и программ, если квалификация оперативного персонала не позволит в полной мере использовать возможности АСУ ТП.