Системный подход к проектированию автоматизированных систем

Лекция 3

3.1 Основные положения

Целью создания АСУТП является управление каким-либо промышленным объектом.

Под управлением понимаются действия, направленные на поддержание или улучшение функционирования объекта управления. В объект управления поступают возмущающие воздействия, приводящие к отклонению выходных параметров объекта, характеризующих выполнение цели управления. Информация о текущих значениях выходных параметров передается в управляющую систему, где они сравниваются с соответствующими заданными значениями. В результате сравнения вырабатываются управляющие воздействия, поступающие в объект управления (рисунок 3.1).

Рисунок 3.1

Технологическим объектом управления (ТОУ) называется динамическая система, характеристики которой изменяются под влиянием возмущающих и управляющих воздействий. Объектами управления могут быть механизмы, машины и аппараты, в которых протекают технологические процессы (измельчение, перемешивание, кристаллизация, сушка и т. п.), производства (синтетического каучука, серной кислоты, автомобильных шин и т. п.), предприятия (заводы, фабрики) и целые отрасли промышленности (химическая, нефтеперерабатывающая и нефтехимическая и др.)

Совокупность значений всех параметров процесса называют технологическим режимом, а совокупность значений параметров, обеспечивающую решение задачи, поставленной при управлении процессом, – нормальным технологическим режимом.

Управление технологическим процессом сводится к поддержанию параметров на уровне, соответствующем нормальному технологическому режиму.

Управляющей системой называют совокупность персонала и автоматических устройств, связанных общей задачей управления. Автоматические устройства, входящие в управляющую систему, по функциональным признакам подразделяются на устройства контроля, регулирования, программного управления, сигнализации, блокировки и защиты. К ним относится также и вычислительная техника.

Объект управления и управляющая система, взаимодействующие между собой, составляют систему управления.

Объект управления является заданной, неизменяемой частью системы управления. Для того чтобы система достигла цели управления, необходимо, зная свойства объекта управления, создать соответствующую ему управляющую систему. Свойства объекта управления изучают на основании его статических и динамических характеристик.

Разработку систем управления начинают с выбора параметров, участвующих в управлении. К ним относятся контролируемые, сигнализируемые и регулируемые величины, а также параметры, изменяя которые, можно вносить регулирующие воздействия. Далее выбирают идеи и способы осуществления защиты и блокировки, а затем – конкретные автоматические устройства управляющей системы. Существенное значение имеет минимизация числа параметров управления.

Проектируемая система управления должна обеспечивать достижение цели управления в любых условиях, а также безопасность работы объекта; при этом она должна быть простой и надежной.

Разработка высокоэффективных систем управления процессами химической технологии часто затруднена, что объясняется сложностью процессов, высокими скоростями реакций, большой мощностью технологических аппаратов, взрыво- и пожароопасностью перерабатываемых веществ, отсутствием надежных первичных преобразователей некоторых параметров (состава, влажности и др.).

Основными автоматическими устройствами, поддерживающими требуемый технологический режим в объекте, являются регуляторы. Поэтому сначала целесообразно наметить регулируемые параметры процесса и каналы внесения регулирующих воздействий и только после этого приступать к выбору остальных параметров.

Выбор регулируемых величин и каналов внесения регулирующих воздействий. Выбрать из ряда параметров процесса те, которые следует регулировать и изменением которых целесообразно вносить регулирующие воздействия, можно только при хорошем знании процесса. При этом определяют: целевое назначение процесса; взаимосвязь его с другими процессами производства; показатель эффективности и значение, на котором он должен поддерживаться; статические и динамические характеристики объекта. Затем анализируют вероятность поступления в объект возмущающих воздействий и возможности устранения их до поступления. (Особое внимание необходимо обратить на стабилизацию входных параметров, так как с их изменением в объект поступают наиболее сильные возмущения).

Выбор контролируемых величин. При выборе контролируемых величин необходимо руководствоваться тем, чтобы при минимальном их числе обеспечивалось наиболее полное представление о процессе.

Выбор сигнализируемых величин. Сигнализации подлежат все параметры, изменения которых могут привести к аварии, несчастным случаям (например, отравлениям) или серьезному нарушению технологического режима.

Выбор параметров и способов защиты и блокировки. В качестве параметра, при значительном отклонении которого срабатывает устройство автоматической защиты, прежде всего следует брать концентрацию взрывоопасного вещества в воздухе производственного помещения. Если концентрация достигает опасного значения, устройство защиты обеспечивает проведение необходимых при этом мероприятий (прекращается поступление на производственный участок данного вещества; снижается давление в аппаратах; приводится в действие аварийная система вентиляции).

Выбор средств автоматизации. Конкретные типы автоматических устройств выбирают с учетом особенностей объекта управления. В первую очередь принимают во внимание такие факторы, как пожаро- и взрывоопасность, агрессивность и токсичность сред, число параметров, участвующих в управлении, и их физико-химические свойства, а также требования к качеству контроля и регулирования.

Выбор конкретных типов автоматических устройств рекомендуется проводить, исходя из следующих соображений:

· для контроля и регулирования одинаковых параметров технологического процесса следует применять одинаковые автоматические устройства, что облегчает их приобретение, настройку, ремонт и эксплуатацию;

· следует отдавать предпочтение автоматическим устройствам серийного производства;

· при большом числе одинаковых параметров контроля рекомендуется применять многоточечные приборы и машины централизованного контроля;

· при автоматизации сложных технологических процессов следует использовать вычислительные и управляющие машины;

· класс точности приборов должен соответствовать технологическим требованиям;

· для местного контроля рекомендуется применять простые и надежные приборы (термометры расширения в защитных чехлах, манометры общего назначения, уровнемерные стекла с защитной сеткой, счетчики и ротаметры), так как они часто функционируют в неблагоприятных условиях (значительные колебания температуры и влажности, повышенная запыленность, вибрация, механические воздействия и т. п.);

· для автоматизации технологических аппаратов с агрессивными средами следует предусматривать установку специальных приборов, а в случае применения приборов в нормальном исполнении необходимо защищать их.

3.2 Основные функции АСУТП

Цель, поставленная перед автоматизированным технологическим комплексом (АТК), достигается при выполнении системой управления, прежде всего вычислительной техникой, ряда функций, по назначению объединенных в подсистемы.

Информационная подсистема. Она предназначена для представления технологическому персоналу оперативной, достоверной, разносторонней, подробной, обработанной соответствующим образом информации о настоящем, будущем и прошлом ТОУ.

Управляющая подсистема. Она предназначена для выработки и реализации управляющих воздействий на ТОУ. При этом под выработкой понимают определение на основании имеющейся информации рациональных управляющих воздействий, а под реализацией - действия, обеспечивающие их.

Вспомогательная подсистема. АСУТП выполняет функции, обеспечивающие ее нормальную эксплуатацию. Они объединены во вспомогательную подсистему. К ее функциям можно отнести, например, организацию всего комплекса технических средств (КТС) как единого целого, диагностику состояния КТС, контроль функционирования всей системы, организацию совместной работы с другими АСУ и т. д.

3.3 Стадии и этапы разработки АСУТП

На рисунке 3.2 показаны стадии (1.2,..., 7) и этапы (1.1, 1.2, ..., 7.8) работ разработки АСУТП, а также последовательность их выполнения.

Исследование и обоснование создания АСУТП. На этой стадии формируют цель создания АСУТП, требования к системе в целом, перечень автоматизируемых функций, а также определяют источники эффективности системы.

На этой стадии проводят анализ известных случаев применения АСУТП для аналогичных объектов и технико-экономическое обследование существующего ТОУ. Обследование проводят с целью выявления достигнутой на объекте степени использования производственных ресурсов (труд, сырье, материалы, топливо, энергия, оборудование), а также возможного влияния автоматизации управления на использование резервов, сокращение расходов ресурсов, т. е. на снижение себестоимости целевой продукции и увеличение ее выпуска.

Результатом работ на этой стадии являются технико-экономическое обоснование (ТЭО) создания АСУТП и результаты обследования и анализа ТОУ в виде отчета. Работы проводятся совместно представителями заказчика и разработчика системы. В рабочие бригады входят специалисты по АСУТП, технологии, КИП и автоматизации, экономике, системотехнике.

Техническое задание. Цель работ – подтверждение целесообразности и обоснование возможности создания АСУТП в соответствии с ТЭО; планирование работ по созданию АСУТП; подготовка материалов, необходимых для проектных работ. Все это обеспечивается проведением разработчиком научно-исследовательских работ (НИР), разработкой аванпроекта и технического задания (ТЗ).

В процессе НИР проводят исследования ТОУ, информационных потоков и наиболее сложных задач управления с выбором критерия управления и ограничений и составлением математических моделей технологического процесса и каналов измерений.

При разработке аванпроекта разработчик подтверждает возможность создания заданной АСУТП по различным видам обеспечении; осуществляет предварительные расчеты надежности, быстродействия и метрологических показателей наиболее ответственных функций (и/или узлов) системы; проводит оценку необходимых вычислительных мощностей и рациональной загрузки средств ВТ; производит предварительный выбор КТС с его обоснованием.

Результатом работ является техническое задание на разработку АСУТП – обязательный исходный документ для всех последующих работ.

Технический проект. Цель работ – разработка основных технических решений по системе и определение ее сметной стоимости.

Рисунок 3.2 – Стадии и этапы создания АСУТП:

1 — обоснование создания АСУТП (1.1 — обследование ТОУ, т. е. сбор и анализ данных; 1.2 — разработка и оформление требований к системе); 2 — техническое задание (2.1 — научно-исследовательские работы; 2.2 — разработка аванпроекта; 2.3 — разработка ТЗ); 3.1 — разработка предварительных решений (необязательна); 4 — технический проект — разработка решений (4.1 — окончательных по общесистемным вопросам; 4.2 — по организационному обеспечению; 4.3 — по техническому обеспечению; 4.4 — по выбору алгоритмов; 4.5 — по информационному обеспечению; 4.6 — по лингвистическому обеспечению; 4.7 — по программному обеспечению; 4.8 — по метрологическому обеспечению; 4.9 — по проектно-сметной строительной документации; 4.10 —• согласование решений по связям видов обеспечения между собой и разработка общесистемной документации в целом; 4.11 — составление заказной документации на КТО; 5 — разработка рабочей документации (5.7—по информационному обеспечению; 5.2 — по организационному обеспечению; 5.3 — по метрологическому обеспечению; 5.4 — по лингвистическому обеспечению; 5.5 — по программному обеспечению; 5.6 — по техническим средствам разового изготовления; 5.7 — строительной); 6 — изготовление несерийных компонентов КТС (6.1 — изготовление компонентов КТС; 6.2 — автономная отладка и испытание компонентов); 7 — ввод в действие (7.1—подготовка к вводу, обучение персонала пользователя; 7.2 — строительно-монтажные работы; 7.3 — комплектация поставляемыми техническими и программными средствами; 7.4 — пуско-наладочные работы; 7.5 — опытная эксплуатация; 7.6 — приемочные испытания; 7.7 — устранение замечаний; 7.8 — приемка в промышленную эксплуатацию)

На этом этапе первоначально проводят работы по функционально-алгоритмическому синтезу системы, включающие разработку окончательной функциональной структуры; распределение функций между техникой и оперативным технологическим персоналом; постановку задач и разработку алгоритмов; разработку алгоритма функционирования АСУТП как человеко-машинной системы; разработку организационной структуры системы и структуры ее КТС. Затем проводят детализацию решений по всем видам обеспечения АСУТП.

Результатом работ является технический проект, включающий документацию на функциональную часть проекта; проектные решения, необходимые и достаточные для выпуска на следующей стадии эксплуатационной документации на систему в целом; проектно-сметную документацию, входящую в состав раздела «Автоматизация технологических процессов» проекта строительства; проект заявок, содержащих технические требования на разработку новых технических средств; техническое задание на поставку комплексов средств автоматизации; комплекс документации, необходимой для заказа комплекса средств ВТ; документации специального математического и информационного обеспечении, включая техническое задание на разработку программ.

Рабочая документация. Цель работы – выпуск рабочей документации на создаваемую систему. Работы на этой стадии завершаются выпуском комплекта проектно-сметной документации, достаточной для приобретения, монтажа и наладки КТС; документации ПО, достаточной для изготовления программ специального ПО на машинных носителях и их применения; документации организационного обеспечения, необходимой и достаточной для наладки и эксплуатации системы и документации на комплекс средств автоматизации АСУТП.

Техно-рабочий проект. Проектирование АСУТП может осуществляться в одну стадию, если система создается с широким использованием типовых решений, путем повторного применения проекта или при создании технически несложной системы.

Изготовление несерийных компонентов комплекса средств автоматизации. Цель работ – изготовление компонентов технического, программного и информационного обеспечении «собственной разработки».

В ходе работ разрабатывают, изготовляют и испытывают нестандартизованные технические средства, в том числе оперативно-диспетчерское оборудование; специальные программы, в том числе программные средства для привязки готовых программ, получаемых по комплектации; части информационного обеспечения в виде информационных изделий.

Ввод в действие. Цель работ – ввод действующей системы в промышленную эксплуатацию.

Организационно работы по внедрению системы выполняют по утвержденному плану-графику. Первоначально должны быть укомплектованы и обучены необходимые штаты персонала системы, проведена комплектация АСУТП и подготовлен ТОУ к проведению строительных и монтажных работ. Затем проводят монтажно-строительные и пуско-наладочные работы, опытную эксплуатацию, приемочные испытания, устранение недостатков и, наконец, приемку в промышленную эксплуатацию.