Материал темы лекции содержит содержание следующих вопросов: структура АСУТП; назначение, цели и функции АСУТП; примеры информационных и управляющих АСУТП; основные разновидности АСУ ТП; состав АСУ ТП.

Структура АСУТП. См. также содержание лекций 1, 2,3.

При построении средств современной промышленной автоматики (обычно в виде АСУ ТП) используется иерархическая информационная структура с применением на разных уровнях вычислительных средств различной мощности. Примерная общая современная структура АСУ ТП показана на рисунке 14.1:

ИП - измерительные преобразователи (датчики), ИМ - исполнительные механизмы, ПЛК-программируемый логический контроллер, ПрК - программируемый (настраиваемый) контроллер, ИнП- интеллектуальные измерительные преобразователи, ИнИМ - интеллектуальные исполнительные устройства, Модем - модулятор/демодулятор сигналов, ТО - техническое обеспечение (аппаратная часть, «железо»), ИО - информационное обеспечение (базы данных), ПО - программное обеспечение, КО - коммуникационное обеспечение (последовательный порт и ПО). ПОпл - программное обеспечение пользователя, ПОпр - программное обеспечение производителя, Инд - индикатор.

Рисунок 14.1 - Типовая функциональная схема современной АСУ ТП.

В настоящее АСУ ТП обычно реализуются по схемам:

1-уровневой (локальная система), содержащей ПЛК, или моноблочный настраиваемый контроллер (МНК) обеспечивающие индикацию и сигнализацию состояния контролируемого или регулируемого ТП на передней панели,

2-уровневой (централизованная система), включающих:

1. на нижнем уровне несколько ПЛК с подключенными к ним датчиками и исполнительными устройствами,

   на верхнем уровне – одна (возможно несколько) операторских (рабочих) станций (автоматизированных рабочих мест (АРМ) оператора).

Обычно рабочая станция или АРМ - это ЭВМ в специальном промышленном исполнении, со специальным программным обеспечением, – системой сбора и визуализации данных (SCADA-системы).

АСУ ТП показана на рисунке 14.2

Рисунок 14.2 - Типовая функциональная схема одноуровневой системы автоматического управления САУ.

Основные функции элементов:

прием дискретных сигналов от преобразователей технологического оборудования,

аналого-цифровое преобразование (АЦП) аналоговых сигналов, поступающих на входы из преобразователей,

масштабирование и цифровая фильтрация данных после АЦП,

обработка принятых данных по программе функционирования,

генерация (в соответствии с программой) управляющих дискретных сигналов и подача их на исполнительные устройства,

цифро-аналоговое преобразование (ЦАП) выходных информационных данных в выходные аналоговые сигналы,

подача управляющих сигналов на соответствующие исполнительные устройства,

защита от потери работоспособности из-за зависания процессора с помощью сторожевого таймера,

сохранение работоспособности при временном отключении электропитания (за счет источника бесперебойного питания с аккумулятором достаточной емкости),

контроль за работоспособностью датчиков и достоверностью измеренных величин,

индикация текущих и интегральных значений измеряемых величин,

контрольная сигнализация состояния управляемого процесса,

контрольная световая и символьная сигнализация состояния контроллера,

возможность конфигурации (настройки параметров) через ПК подключаемый, к специальному порту.

Преобразователи (Пр):

преобразование значения измеряемой величины (температуры, давления, перемещения и т.д.) в непрерывный или импульсный (для счетных входов ПЛК) электрический сигнал.

Исполнительные устройства (ИУ):

преобразование управляющих электрических непрерывных или импульсных сигналов в механическое перемещение исполнительных механизмов, электронное управление током в силовых цепях и т.д.

Устройство согласования (при необходимости):

гальваническая или другие виды развязки между ПЛКи исполнительными устройствами (ИУ),

согласование допустимых значений выходного тока управляющих каналов ПЛК и тока, необходимого для нормальной работы ИУ.

При недостаточном числе каналов одного ПЛК используется схема распределенного ввода/вывода с использованием других (управляемых, ведомых ПЛК) или дополнительных контроллеров (модулей) ввода/вывода.

Типовая функциональная схема одноуровневой АСУ ТП с распределенным вводом/выводом показана на рисунке 14.3:

Рисунок 14.3 - Типовая функциональная схема одноуровневой АСУ ТП с распределенным вводом/выводом

Типовая функциональная схема 2-уровневой АСУТП показана на рисунке 14.4.

Рисунок 14.4 - Типовая функциональная схема 2-уровневой АСУТП

Все ПЛКи АРМы объединены промышленной информационной сетью, обеспечивающей непрерывный обмен данными. Преимущества: позволяет распределить задачи, между узлами системы, повысив надежность ее функционирования.

Основные функции нижнего уровня:

сбор, электрическая фильтрация и АЦП сигналов с преобразователей (датчиков);

реализация локальных АСУ технологического процесса в объеме функций ПЛК одноуровневой системы;

реализация аварийной и предупредительной сигнализации;

организация системы защит и блокировок;

обмен текущими данными с ПК верхнего уровня через промышленную сеть по запросам ПК.

Основные функции верхнего уровня:

визуализация состояния технологического процесса;

текущая регистрация характеристик технологического процесса;

оперативный анализ состояния оборудования и технологического процесса ;

регистрация действий оператора, в том числе при аварийных сообщениях;

архивация и длительное хранение значений протоколов технологического процесса;

реализация алгоритмов «системы советчика»;

супервизорное управление;

хранение и ведение баз данных:

параметров техпроцессов,

критических параметров оборудования,

признаков аварийных состояний технологического процесса ,

состава допускаемых к работе с системой операторов (их паролей),

Таким образом, нижний уровень реализует алгоритмы управления оборудованием, верхний - решение стратегических вопросов функционирования. Например, решение включить или выключить насос принимается на верхнем уровне, а подача всех необходимых управляющих сигналов, проверка состояния насоса, реализация механизма блокировок выполняется на нижнем уровне.

Иерархическая структура АСУ технологического процесса подразумевает:

поток команд направлен от верхнего уровня к нижнему,

нижний отвечает верхнему по его запросам.

Это обеспечивает предсказуемое поведение ПЛК при выходе из строя верхнего уровня или промышленной сети, поскольку такие неисправности воспринимаются нижним уровнем как отсутствие новых команд и запросов.

При конфигурации ПЛК устанавливается: до какого времени после получения последнего запроса ПЛК продолжает функционировать, поддерживая последний заданный режим, после чего переходит в нужный при данной аварийной ситуации режим работы.

Например, структура организации АСУТП некоторого производства бетона на бетоносмесительных установках по логике построения можно разделить на два основных уровня:

нижний уровень – уровень реализации задачи на базе промышленных контроллеров (PLC);

верхний уровень – уровень реализации задачи визуализации процессов, происходящих при производстве бетона на БСУ (SCADA).

На нижнем уровне система решает следующие основные задачи:

сбор первичной информации с исполнительных узлов БСУ;

анализ собранной информации;

отработка логики технологического процесса при производстве бетона с учетом всех современных требований;

выдача управляющих воздействий на исполнительные устройства.

На верхнем уровне система решает другие задачи:

визуализация основных технологических параметров с БСУ (состояние исполнительных органов, ток потребления миксера, вес дозируемых материалов и т.д.);

архивирование всех параметров процесса производства бетона;

выдача команд на воздействие исполнительными органами БСУ;

выдача команд на изменение параметров внешних воздействий;

разработка и хранение рецептур бетонных смесей.

Назначение АСУТП. А СУТП предназначена для выработки к реализации управляющих воздействий на технологический объект управления.

Технологический объект управления (АСУТП) представляет собой совокупность технологического оборудования и реализованного на нем по соответствующим инструкциям или регламентам технологического процесса производства продуктов, полупродуктов, изделий или энергии,

К технологическим объектам управления относятся:

технологические агрегаты и установки (группы станков), реализующие самостоятельный технологический процесс;

отдельные производства (цехи, участки), если управление этим производством носит, в основном, технологический характер, то есть заключается в реализации рациональных режимов работы взаимосвязанного технологического оборудования (агрегатов, участков).

Совместно функционирующие ТОУ и управляющая ими АСУТП образуют автоматизированный технологический комплекс (АТК). В машиностроении и других дискретных производствах в качестве АТК выступают гибкие производственные системы (ГПС).

Термины АСУТП, ТОУ и АТК должно употребляться только в приведенных сочетаниях. Совокупность других систем управления с управлением ими технологическим оборудованием не является АТК. Система управления в других случаях (не в АТК) не является АСУТП и т.д. АСУТП - это организационно-техническая система управления объектом в целом в соответствии с принятым критерием (критериями) управления, в которой сбор и обработка необходимой информации осуществляется с применением средств вычислительной техники.

Приведенная формулировка подчеркивает:

во-первых, использование в АСУТП современных средств вычислительной техники;

во-вторых, роль человека в системе как субъекта труда, принимающего содержательное участие в выработке решений по управлению;

в-третьих, что АСУТП - это система, осуществляющая обработку технологической и технико-экономической информации;

в-четвертых, что цель функционирования АСУТП заключается в оптимизации работы технологического объекта управления в соответствии с принятым критерием (критериями) управления путем соответствующего выбора управляющих воздействий.

Критерий управления в АСУТП - это соотношение, характеризующее степень достижения целей управления (качество функционирования технологического объекта управления в целом) и принимающее различные числовые значения в зависимости от ис­пользуемых управляющих воздействий. Отсюда следует, что критерий обычно является технико-экономическим (например, себестоимость выходного продукта при заданном его качестве, производительность ТОУ при заданном качества выходного продукта и т.п.) или техническим показателем (параметра процесса, характеристики выходного продукта).

В случае, если ТОУ управляется АСУТП, весь участвующий в управлении оперативный персонал ТОУ и все средства управления, предусмотренные документацией на АСУТП и взаимодействующие при управлении ТОУ, входят в состав системы, независимо от того, каким путем (нового строительства или модернизации системы управления) создавался АТК.

АСУТП создается путем капитального строительства, т.к. независимо от объёма поставки для её ввода в действие, необходимо проведение строительно-монтажных и наладочных работ на объекте.

АСУТП как компонент общей системы управления промышленным предприятии предназначена для целенаправленного ведения технологических процессов и обеспечения смежных и вышестоящих систем управления оперативной и достоверной технико-экономической информации. АСУТП созданные для объектов основного и (или) вспомогательного производства, представляют собой низовой уровень автоматизированных систем управления на предприятии.

АСУТП могут использоваться для управления отдельными производствами, включающими в свой состав взаимосвязанные ТОУ, в том числе управляемые собственными АСУТП низового уровня.

Для объектов с дискретным характером производства в состав гибких производственных систем могут включаться автоматизированные системы технологической подготовки производства (или их соответствующие подсистемы) и системы автоматизированного проектирования технология (САПР-технология).

Организация взаимодействия АСУТП с вышестоящими уровнями управления определяется наличием на промышленном предприятии автоматизированной системы управления предприятием (АСУП) и автоматизированных систем оперативно-диспетчер­ского управления (АСОДУ).

При их наличии АСУТП в совокупности с ними образуют интегрированную автоматизированную систему управления (ИАСУ). В этом случае АСУТП получает от соответствующих подсистем АСУП или служб управления предприятием непосредственно или через ОСОДУ задания и ограничения (номенклатуру подлежащих выпуску продуктов или изделий, объем производства, технико-экономические показатели, характеризуете качество функционирования АТК, сведения о наличии ресурсов) и обеспечивает подготовку и передачу этим системам необходимой для их работы технико-экономической информации, в частности о результатах работы АТК, основных показателях выпускаемой продукции, оперативной потребности в ресурсах, состоянии АТК (состоянии оборудования, ходе технологического процесса, его технико-экономи­ческих показателях и т.п.),

При наличии на предприятии автоматизированных систем технической и технологической подготовки производства должно быть обеспечено необходимое взаимодействие АСУТП с этими системами. При этом АСУТП получат от них техническую, технологическую и другую информацию, необходимую для обеспечения заданного проведения технологических процессов, и направляют в названные системы фактическую оперативную информацию, необходимую для их функционирования.

При создании на предприятия комплексной системы управления качеством продукции автоматизированные системы управления технологическими процессами выступают в роли ее исполнительных подсистем, обеспечивающих заданное качество продукции ТОУ и подготовку оперативной фактической информации о ходе технологических процессов (статистический контроль и т.д.)

Цели и функции АСУТП. При создании АСУТП должны быть определены конкретные цели функционирования системы и ее назначение в общей структуре управления предприятия.

Примерами таких целей могут служить:

экономия топлива, сырья, материалов и других производственных ресурсов;

обеспечение безопасности функционирования объекта;

повышение качества выходного продукта или обеспечение заданных значений параметров выходных продуктов (изделия);

снижение затрат живого труда;

достижение оптимальной загрузки (использования) оборудо­вания;

оптимизация режимов работы технологического оборудования (в том числе маршрутов обработки в дискретных производствах) и т.д.

Достижение поставленных целей осуществляется системой посредством выполнения совокупности ее функций .

Функция АСУТП представляет собой совокупность действий системы, обеспечивающих достижение частной цели управления.

При этом под совокупностью действий системы понимают описанную в эксплуатационной документации последовательность операций и процедур, выполняемых элементами системы для ее реализации.

Частная цель функционирования АСУТП - цель функциониро­вания или результат ее декомпозиции, для которой удается оп­ределить полную совокупность действий элементов системы, до­статочную для достижения этой цели.

Функции АСУТП по направленности действий (на­значение функции) делятся на основные и вспомогательные , а по содержанию этих действий - на управляющие и информацион­ные.

К основным (потребительским) функциям АСУТП от­носятся функции, направленные на достижение целей функциони­рования системы, осуществляющие управляющие воздействия на ТОУ и (или) обмен информацией со смежными сис­темами управления. Обычно к ним относят также информационные функции, обеспечивающие оперативный персонал АТК информацией, необходимой ему для управления технологическим процессом про­изводства.

К вспомогательным функциям АСУТП относятся функции, направленные на достижение необходимого качества функционирования (надежности, точности и т.п.) системы, реализующие контроль и управление ее работой.

К управляющим функциям АСУТП относятся функции, содержанием каждой из которых является выработка и реализация управляющих воздействий на соответствующем объекте управления -ТОУ или его часть для основных функций и на АСУТП или ее часть для вспомогательных. Например:

основные управляющие функции;

регулирование (стабилизация) отдельных технологических переменных;

однотактное логическое управление операциями или аппа­ратами (защиты);

программное логическое управление технологическими ап­паратами;

оптимальное управление ТОУ;

адаптивное управление ТОУ и т.п.;

вспомогательные управляющие функции;

реконфигурация вычислительного комплекса (сети) АСУТП;

аварийное отключение оборудования АСУТП;

переключение технических средств АСУТП на аварийный ис­точник питания и т.п.

К информационным функциям АСУТП относятся функ­ции, содержанием каждой из которых является получение и преобразования информации о состоянии ТОУ или АСУТП и ее пред­ставление в смежные системы или оперативному персоналу АТК. Например, основные информационные функции:

контроль и измерение технологических параметров;

косвенное измерение параметров процесса (внутренних переменных, технико-экономических показателей);

подготовка и передача информации в снежные системы уп­равления и т.п.;

вспомогательные информационные функции:

контроль состояния оборудования АСУТП;

определение показателей, характеризующих качество функционирования АСУТП или её частей (в частности оперативного персонала АСУТП) и т.п.

Основные разновидности АСУ ТП Различает два режима реализации функций системы: автоматизированный и автоматический - в зависимости от степени участия людей в выполнении этих функций. Для управлявших функций автоматизированный ре­жим характеризуется участием человека в выработке (принятии) решений и их реализации. При этом различают следующие вари­анты:

«ручной » режим, при котором комплекс технических средств представляет оперативному персоналу контрольно-изме­рительную информации о состоянии ТОУ, а выбор и осуществле­ние управляющих воздействий дистанционно или по месту произ­водит человек-оператор;

режим «советчика », при котором комплекс технических, средств вырабатывает рекомендации по управлению, а решение об их использовании реализуется оперативный персоналом;

«диалоговый режим », когда оперативный персонал имеет возможность корректировать постановку и условия задачи, решаемой комплексом технических средств системы при выработке рекомендаций по управлению объектом;

«автоматический режим », при котором функция управления осуществляется автоматически (без участия человека). При этом различают:

• режим косвенного управления, когда средства вычислительной техники изменяют уставки и (или) параметры настройки локальных систем автоматического управления (регулирования) (супервизорное или каскадное управление);

  режим прямого (непосредственного) цифрового управления (НЦУ ), когда управляющее вычислительное устройство непосредственно воздействует на исполнительные механизмы.

Дня информационных функций автоматизированный режим реализации предусматривает участие людей в операциях по получению и обработке информации. В автоматическом режиме все необходимые процедуры обра­ботки информации реализуется без участия человека.

Рассмотрим несколько подробнее схемы управления в АСУТП.

Управление в режиме сбора данных. После этапа идентификации необходимо выбрать схему управления ТП, которая, как правило, строится с учетом применения принципов управления, определяющих режим функционирования АСУТП. Наиболее простой и исторически первой появилась схема управления ТП в режиме сбора данных . При этом АСУ подсоединяется к процессу способом, выбранным инженером-технологом (рисунок 14.5).

Интересующие инженера-технолога переменные преобразуются в цифровую форму, воспринимаемую системой ввода и помещается в памяти ППК (ЭВМ) . Величины на этом этапе являются цифровыми представлениями напряжения, генерируемого датчиками. Эти величины по соответствующим формулам преобразуются в технические единицы. Например, для вычисления температуры, замеряемой с помощью термопары, может использоваться формула T=A*U 2 + B*U + C, где U – напряжение с выхода термопары; A, B и C – коэффициенты. Результаты вычислений регистрируются устройствами вывода АСУТП для последующего использования инженером-технологом. Главной целью сбора данных является изучение ТП в различных условиях. В результате инженер-технолог получает возможность построить и (или) уточнить математическую модель ТП, которым нужно управлять. Сбор данных не оказывает прямого воздействия на ТП, в нем нашел осторожный подход к внедрению методов управления, основанных на применении ЭВМ. Однако даже в самых сложных схемах управления ТП система сбора данных для целей анализа и уточнения модели ТП используется как одна из обязательных подсхем управления.

Рисунок 14.5 - Система сбора данных

Управление в режиме советчика оператора. Этот режим предполагает, что ППК в составе АСУТП работает в ритме ТП в разомкнутом контуре (в реальном времени), т.е. выходы АСУТП не связаны с органами, управляющими ТП. Управляющие воздействия фактически осуществляются оператором-технологом, получающим указания от ППК (рисунок 14.6).

Рисунок 14.6 - АСУТП в режиме советчика оператора

Все необходимые управляющие воздействия вычисляются ППК в соответствии с моделью ТП, результаты вычислений представляются оператору в печатном виде (или в виде сообщений на дисплее). Оператор управляет процессом, изменяя уставки регуляторов. Регуляторы являются средствами поддержания оптимального управления ТП, причем оператор играет роль следящего и управляющего звена. АСУТП играет роль устройства, безошибочно и непрерывно направляющего оператора в его усилиях оптимизировать ТП.

Схема системы советчика совпадает со схемой системы сбора и обработки информации. Способы организации функционирования информационно-сове­тующей системы следующие:

вычисление управляющих воздей­ствий производится при отклонениях параметров управляемого процесса от заданных технологических режимов, которые иниции­руются программой-диспетчером, содержащей подпрограмму ана­лиза состояния управляемого процесса;

вычисление управляющих воздействий инициируется оператором в форме запроса, когда оператор имеет возможность ввести необходимые для расчета дополнительные данные, которые невозможно получить путем измерения параметров управляемого процесса или содержать в системе как справочные.

Эти системы применяют в тех случаях, когда требуется осто­рожный подход к решениям, выработанным формальными мето­дами. Это связано с неопределенностью в математическом описа­нии управляемого процесса:

математическая модель недостаточно полно описывает технологический (производственный) процесс, так как учитывает лишь часть управляющих и управляемых параметров;

математическая модель адекватна управляемому процессу лишь в узком интервале технологических параметров;

критерии управления носят качественный характер и существенно изменяются в зависимости от большого числа внешних факторов.

Неопределенность описания может быть связана с недостаточ­ной изученностью технологического процесса или реализация адекватной модели потребует применения дорогостоящей ППК.

При большом разнообразии и объеме дополнительных данных общение оператора с ППК строится в форме диалога. Например, в алгоритм вычисления технологического режима включаются альтернативные точки, после которых процесс вычисления может продолжаться по одному из нескольких альтернативных вариан­тов. Если логика алгоритма приводит процесс вычисления к опре­деленной точке, то расчет прерывается и оператору посылается запрос о сообщении дополнительной информации, на основе которой выбирается один из альтернативных путей продолжения расчета. ППК играет в данном случае пассивную роль, связанную с обработкой большого количества информации и ее представле­нием в компактном виде, а функция принятия решений возла­гается на оператора.

Основной недостаток этой схемы управления заключается в постоянном наличии человека в цепи управления. При большом числе входных и выходных переменных такая схема управления не может применяться из-за ограниченных психофизических возможностей человека. Однако управление этого типа имеет и преимущества. Оно удовлетворяет требованиям осторожного подхода к новым методам управления. Режим советчика обеспечивает хорошие возможности для проверки новых моделей ТП; в качестве оператора может выступать инженер-технолог, "тонко чувствующий" процесс. Он наверняка обнаружит неправильную комбинацию уставок, которую может выдать не окончательно отлаженная программа АСУТП. Кроме того, АСУТП может следить за возникновением аварийных ситуаций, так что оператор имеет возможность уделять больше внимания работе с уставками, при этом АСУТП следит за большим числом аварийных ситуаций, чем оператор.

Супервизорное управление. В этой схеме АСУТП используется в замкнутом контуре, т.е. установки регуляторам задаются непосредственно системой (Рисунок 14.7).

Рисунок 14.7 - Схема супервизорного управления

Задача режима супервизорного управления – поддержание ТП вблизи оптимальной рабочей точки путем оперативного воздействия на него. В этом одно из главных преимуществ данного режима. Работа входной части системы, и вычисление управляющих воздействий мало отличается от работы системы управления в режиме советчика. Однако, после вычисленных значений уставок, последние преобразовываются в величины, которые можно использовать для изменения настроек регуляторов.

Если регуляторы воспринимают напряжения, то величины вырабатываемые ЭВМ, должны быть преобразованы в двоичные коды, которые с помощью цифро-аналогового преобразователя превращаются в напряжения соответствующего уровня и знака. Оптимизация ТП в этом режиме выполняется периодически, напр. один раз в день. Должны быть введены новые коэффициенты в уравнения контуров управления. Это осуществляется оператором через клавиатуру, или считывая результаты новых расчетов, выполненные на ЭВМ более высокого уровня. После этого АСУТП способна работать без вмешательства извне в течение длительного времени. Примеры АСУТП в супервизорном режиме.

Управление автоматизированной транспортно-складской системы. ЭВМ выдает адреса стеллажных ячеек, а система локальной автоматики кранов-штабелеров отрабатывает перемещение их в соответствии с этими адресами.

Управление плавильными печами. ЭВМ вырабатывает значения уставок электрического режима, а локальная автоматика управляет переключателями трансформатора по командам ЭВМ.

Станки с ЧПУ управление через интерполятор.

Таким образом, супервизорные системы управления функционирующая в режиме супервизорного управления (супервизор - управля­ющая программа или комплекс программ, программа-диспетчер), предназначена для организации многопрограммного режима работы ППК и пред­ставляет собой двухуровневую иерархическую систему, обла­дающую широкими возможностями и повышенной надежностью. Управляющая программа определяет очередность выполнения программ и подпрограмм и руководит загрузкой устройств ППК.

В супервизорной системе управления часть параме­тров управляемого процесса и логико-командного управления управляется локальными автоматическими регуляторами (АР) и ППК, обрабатывая измерительную информацию, рассчитывает и устанавливает оптимальные настройки этих регуляторов. Осталь­ной частью параметров управляет ППК в режиме прямого цифро­вого управления. Входной информацией являются значения неко­торых управляемых параметров, измеряемых датчиками Ду локальных регуляторов; контролируемые параметры состояния управляемого процесса, измеряемые датчиками Дк. Нижний уровень, непосредственно связанный с технологиче­ским процессом, образует локальные регуляторы отдельных технологических параметров. По данным, поступающим от дат­чиков Ду и Дк через устройство связи с объектом, ППК выраба­тывает значения уставок в виде сигналов, поступающих непосред­ственно на входы систем автоматического регулирования.

Непосредственное цифровое управление. В НЦУ сигналы, используемые для приведения в действие управляющих органов, поступают непосредственно из АСУТП, и регуляторы вообще исключаются из системы. Концепция НЦУ, при необходимости, позволяет заменить стандартные законы регулирования на т.н. оптимальные с задаваемой структурой и алгоритмом. Например, может реализоваться алгоритм оптимального быстродействия и др.

АСУТП рассчитывает реальные воздействия, и передает соответствующие сигналы непосредственно на управляющие органы. Схема НЦУ показана на рисунке 14.8.

Рисунок 14.8 - Схема непосредственного цифрового управления (НЦУ)

Уставки вводятся в АСУ оператором или ЭВМ, выполняющей расчеты по оптимизации процесса. При наличии системы НЦУ оператор должен иметь возможность изменять уставки, контролировать некоторые избранные переменные, варьировать диапазоны допустимого изменения измеряемых переменных, изменять параметры настройки и вообще должен иметь доступ к управляющей программе.

Одно из главных преимуществ режима НЦУ заключается в возможности изменения алгоритмов управления для контуров простым внесением изменений в хранимую программу. Наиболее очевидный недостаток НЦУ проявляется при отказе ЭВМ.

Таким образом, системы прямого цифрового управления (ПЦУ) или непосредственного цифрового управления (НЦУ, DDC) . ППК непосредственно вырабатывает оптимальные управляющие воздействия и с помощью соответствующих преобразователей передает команды управле­ния на исполнительные механизмы. Режим непосред­ственного цифрового управления позволяет:

исключить локальные регуляторы с задаваемой уставкой;

применять более эффективные принципы регулирования и управления и выбирать их оптималь­ный вариант;

реализовать оптимизирующие функции и адаптацию к изменению внешней среды и переменным параметрам объекта управления;

снизить расходы на техническое обслуживание и унифицировать средства контроля и управления.

Этот принцип управления применяют в стан­ках с ЧПУ. Оператор должен иметь воз­можность изменять уставки, контролировать выходные пара­метры процесса, варьировать диапазоны допустимого измене­ния переменных, изменять па­раметры настройки, иметь дос­туп к управляющей программе в подобных системах упрощается реализация режимов пуска и останова процессов, переключение с ручного управления на автоматическое, операции переключения исполнительных механизмов. Основной недостаток подобных систем заключается в том что надежность всего комплекса определяется надежностью устройств связи с объектом и ППК, и при выходе из строя объект теряет уп­равление, что приводит к аварии. Выходом из этого положения является организация резервирования ЭВМ, замена одной ЭВМ системой машин и др.

Состав АСУ ТП. Выполнение функций АСУТП достигается путем взаимодействия ее следующих составных частей:

технического обеспечения (ТО),

программного обеспечения (ПО),

информационного обеспечения (ИО),

организационного обеспечения (ОО),

оперативного персонала (ОП).

Эти пять компонентов и образуют состав АСУТП. Иногда рассматривают и другие виды обеспечения, например лингвистическое, математическое, алгоритмическое, но они рассматриваются как компоненты ПО и т.п.

Техническое обеспечение АСУТП представляет со­бой полную совокупность технических средств (в том числе средств вычислительной техники), достаточную для функциониро­вания АСУТП и выполнения системой всех ее функций. Примечание. Регулирующие органы в состав ТО АСУТП не входят.

Комплекс выбранных технических средств должен обеспечить такую систему измере­ний в условиях функционирования АСУ ТП, которые, в свою очередь, обеспечивают необходимую точность, быстродействие, чувствительность и надежность в соответствии с заданными метрологическими, эксплуатаци­онными и экономическими характеристиками. Технические средства можно группировать по эксплуатационным характеристикам, функциям управления, информационным характеристикам, конструктивному сходству. Наи­более удобной считается классификация технических средств по информационным характеристикам. В связи со сказанным комплекс технических средств должен содержать:

средства получения информации о состоянии объекта управления и средства ввода в систему (вход­ные преобразователи, датчики), обеспечивающие преобразование входной информации в стандартные сигналы и коды;

средства промежуточного преобразования информации, обеспечивающие взаимосвязь между устрой­ствами с разными сигналами;

выходные преобразователи, средства вывода информации и управления, преобразующие машинную информацию в различные формы, необходимые для управления технологическим процессом;

средства формирования и передачи информации, обеспечивающие перемещение информации в про­странстве;

средства фиксации информации, обеспечивающие перемещение информации во времени;

средства переработки информации;

средства локального регулирования и управления;

средства вычислительной техники;

средства представления информации оперативному персоналу;

исполнительные устройства;

средства передачи информации в смежные АСУ и АСУ других уровней;

приборы, устройства для наладки и проверки работоспособности системы;

документационная техника, включающая средства создания и уничтожения документов;

конторско-архивная техника;

вспомогательное оборудование;

материалы и инструмент.

Вспомогательные технические средства обеспечивают выполнение второстепенных процессов управле­ния: копирование, печать, обработку корреспонденции, создание условий нормальной работы управленческого персонала, поддержание технических средств в исправном состоянии и их функционирование. Создание типо­вых АСУ ТП в настоящее время невозможно из-за значительного расхождения организационных систем управ­ления предприятиями.

Технические средства АСУ ТП должны соответствовать требованиям ГОСТов, которые направлены на обеспечение различной совместимости объекта автоматизации. Эти требования подразделяются на группы.

Информационные . Обеспечивают информационную совместимость технических средств между собой и с обслуживающим персоналом.

Организационные . Структура управления технологическим процессом, технология управления, техни­ческие средства должны соответствовать друг другу до и после внедрения АСУ ТП, для чего необходимо обес­печить:

Соответствие структур КТС - структуре управления объектом;

Автоматизированное выполнение основных функций, выделение информации, ее передачу, обработку, вывод данных;

возможность модификации КТС;

возможность создания организационных систем контроля работы КТС;

возможность создания систем контроля персонала.

3. Математические . Сглаживание несоответствий работы технических средств с информацией может быть выполнено с помощью программ перекодирования, перевода, пересоставления макетов. Это обуславливает следующие требования к математическому обеспечению:

быстрое решение основных задач АСУ ТП;

упрощение общения персонала с КТС;

возможность информационной стыковки различных технических средств.

4. Технические требования:

необходимая производительность для своевременного решения задач АСУ ТП;

приспособленность к условиям внешней среды предприятия;

надежность и ремонтопригодность;

использование унифицированных, серийно выпускаемых блоков;

простота эксплуатации и обслуживания;

техническая совместимость средств, основанная на общей элементной и конструкторской базе;

требования эргономики, технической эстетики.

5. Экономические требования к техническим средствам:

минимальные капиталовложения на создание КТС;

минимальные производственные площади для размещения КТС;

минимальные затраты на вспомогательное оборудование.

6. Надежность АСУ ТП. При рассмотрении технического обеспечения рассматривается и вопрос на-дежности АСУ ТП. При этом необходимо провести исследования АСУ ТП, выделив следующие моменты:

сложность (большое число различных технических средств и персонала);

многофункциональность;

многонаправленность использования элементов в системе;

множественность видов отказов (причины возникновения, последствия);

взаимосвязь надежности и экономической эффективности;

зависимость надежности от технической эксплуатации;

зависимость надежности от КТС и структуры алгоритмов;

8) влияние персонала на надежность.

Уровень эксплуатационной надежности АСУ ТП определяется такими факторами как:

составом и структурой используемых технических средств;

режимами, параметрами обслуживания и восстановления;

условиями эксплуатации системы и ее отдельных компонент;

Программное обеспечение АСУТП представляет собой совокупность программ и эксплуатационной программной документации, необходимую для реализации функций автоматизированной системой управления технологическим процессом заданного режима функционирования комплекса технических средств АСУТП.

Программное обеспечение АСУТП подразделяется на общее прог­раммное обеспечение (ОПО) и специальное программное обеспечение (СПО).

К общему программному обеспечению АСУТП относят ту часть программного обеспечения, которая поставляется в комплек­те со средствами вычислительной техники или приобретается гото­вой в специализированных фондах алгоритмов и программ. В состав ОПО АСУТП входят программы, используемые для разработки программ, компоновки программного обеспечения, организации функционирования вычислительного комплекса и другие служебные и стандартные прог­раммы (например, организующие программы, транслирующие программы, библиотеки стандартных программ и др.). ОПО АСУТП изготавливается и поставляется в виде продукции производственно-технического назначения заводами-изготовителями средств ВТ (см. п.1.4.7).

К специальному программному обеспечению АСУТП относят ту часть программного обеспечения, которая разрабатыва­ется при создании конкретной системы (систем) и включает прог­раммы реализации основных (управляющих и информационных) и вспомогательных (обеспечение заданного функционирования КТС систе­мы, проверка правильности ввода информации, контроль за работой КТС системы и т.п.) функций АСУТП. Специальное программное обеспечение АСУТП разрабатывает­ся на базе и с использованием программного обеспечения. Отдельные программы или СПО АСУТП в целом могут изготавливаться и поставляться в виде программных средств как продук­ция производственно-технического назначения.

В состав программного обеспечения входят общее программное обеспече­ние, поставляемое со средствами вычислительной техники, в том числе, организующие программы, программы-диспетчеры, транслирующие программы, операционные системы, библиотеки стандартных программ, а также специальное программное обеспечение, которое реализует функции конкретной системы, обеспечивает функцио­нирование КТС, в том числе аппаратным путем.

Математическое, алгоритмическое обеспечение. Как известно, модель - это образ объекта исследо­вания, отображающая существенные свойства, характеристики, параметры, взаимосвязи объекта. Одним из ме­тодов исследования процессов или явлений в АСУ ТП является метод математического моделирования, т.е. путем построения их математических моделей и анализа этих моделей. Разновидностью математического моде­лирования является имитационное моделирование, при котором используется прямая подстановка чисел, ими­тирующих внешние воздействия, параметры и переменные процессов с помощью УВК. Для проведения имита­ционных исследований необходимо разработать алгоритм. Алгоритмы, используемые в АСУ ТП, характеризу­ются следующими особенностями:

временная связь алгоритма с управляемым процессом;

хранение рабочих программ в оперативной памяти УВК для доступа к ним в любой момент времени;

превышение удельного веса логических операций;

разделение алгоритмов на функциональные части;

реализация на УВК алгоритмов в режиме разделения времени.

Учет временного фактора в алгоритмах управления сводится к необходимости фиксации времени приема информации в систему, времени выдачи сообщений оператором для формирования управляющих воздействий, прогнозирования состояния объекта управления. Необходимо обеспечить своевременную обработку сигналов УВК, связанной с управляемым объектом. Это достигается составлением наиболее эффективных по быстро­действию алгоритмов, реализуемых на быстродействующих УВК.

Из второй особенности алгоритмов АСУ ТП вытекают жесткие требования к объему памяти, необходимой для реализации алгоритма, к связанности алгоритма.

Третья особенность алгоритмов обусловлена тем, что технологические процессы управляются на основе ре­шений, принимаемых по результатам сопоставления различных событий, сравнения значений параметров объекта, проверки выполнения различных условий и ограничений.

Использование четвертой особенности алгоритмов АСУ ТП дает возможность разработчику сформулиро­вать несколько задач системы, а затем объединить разработанные алгоритмы этих задач в единую систему. Степень взаимосвязи задач АСУ ТП может быть различной и зависит от конкретного объекта управления.

Для учета пятой особенности алгоритмов управления необходимо разработать операционные системы ре­ального времени и планировать очередность загрузки модулей, реализующих алгоритмы задач АСУ ТП, их вы­полнение в зависимости от приоритетов.

На этапе разработки АСУ ТП создаются измерительные информационные системы, которые обеспечивают полный и своевременный контроль режима работы агрегатов, позволяющих анализировать ход технологиче­ского процесса и ускорить решение задач оптимального управления. Функции систем централизованного кон­троля сводятся к решению следующих задач:

определение текущих и прогнозируемых значений величин;

определение показателей, зависящих от ряда измеряемых величин;

обнаружение событий, являющихся нарушениями и неисправностями на производстве.

Общая модель задачи при оценке текущих значений измеряемых величин и вычисляемым по ним ТЭП в системе централизованного контроля может быть представлена следующим образом: задается совокупность величин и показателей, которые необходимо определять в объекте контроля, указывается требуемая точность их оценки, имеется совокупность датчиков, которые установлены на автоматизируемом объекте. Тогда общая задача оценки значения отдельной величины формулируется следующим образом: для каждой отдельной вели­чины требуется найти группу датчиков, частоту их опроса и алгоритм переработки получаемых от них сигна­лов, в результате которого значение этой величины определяется с заданной точностью.

Для решения задач в условиях АСУ ТП используются такие математические методы, как линейное про­граммирование, динамическое программирование, методы оптимизации, выпуклое программирование, комби­наторное программирование, нелинейное программирование. Методами построения математического описания объекта являются метод Монте-Карло, математическая статистика, теория планирования эксперимента, теория массового обслуживания, теория графов, системы алгебраических и дифференциальных уравнений.

Информационное обеспечение АСУТП включает: перечень и характеристики сигналов, характеризующих состояние АТК:

Описание принципов (правил) классификации и кодирования информации и перечень классификационных группировок,

описания массивов информации, формы документов к видео­кадрам, используемых в системе,

нормативно-справочную (условно-постоянную) информацию, используемую при работе системы.

В состав организационного обеспечения АСУТП вхо­дят описание АСУТП (функциональной, технической и организаци­онной структуры системы) и инструкции для оперативного персонала, необходимые и достаточные для его функционирования в составе АТК.

Организационное обеспечение включает описание функциональной, технической, организационной структур системы, инструкции и регламенты для оперативного персонала по работе АСУ ТП. Оно содержит совокупность правил, предписаний, обеспечивающих требуемое взаимодействие оперативного персонала меж­ду собой и комплексом средств.

Таким образом, организационная структура управления - это связи между людьми, занятыми экс­плуатацией объекта. Персонал, занятый оперативным управлением, поддерживает технологический процесс в заданных нормах, обеспечивает выполнение производственного плана, контролирует работу технологического оборудования, следит за условиями безопасного ведения процесса.

Эксплуатационный персонал АСУ ТП обеспечивает правильность функционирования КТС АСУ ТП, ведет учет и отчетность. АСУ ТП получает от вышестоящего уровня управления производственные задания, крите­рии реализации этих заданий, передает на вышестоящие уровни управления сведения о выполнении заданий, количественных и качественных показателях продукции и функционировании автоматизированного техноло­гического комплекса.

Для анализа организационной структуры и определения оптимального построения внутренних взаимосвя­зей используют методы групповой динамики. При этом обычно применяют методику и приемы социальной психологии. Проведенные исследования дали возможность сформулировать требования, необходимые для ор­ганизации группы оперативного технологического персонала:

вся производственная информация должна передаваться только через руководителя;

у одного подчиненного должно быть не больше одного непосредственного руководителя;

в производственном цикле информационно взаимодействуют друг с другом только подчиненные одно­го руководителя.

Подразделения технического обслуживания выполняют работы на всех стадиях создания АСУ ТП (проек­тирование, внедрение, эксплуатация), их основными функциями являются:

Обеспечение эксплуатации систем в соответствии с правилами и требованиями технической докумен­тации;

обеспечение текущего и планового ремонта технических средств АСУ ТП;

проведение совместно с разработчиками испытаний АСУ ТП;

проведение исследований по определению экономической эффективности системы;

разработка и реализация мероприятий по дальнейшему развитию системы;

Повышение квалификации работников службы АСУ ТП, изучение и обобщение опыта эксплуатации. Для выполнения функций технологу-оператору должны быть представлены технические и программные

средства, обеспечивающие в зависимости от особенностей технологического процесса требуемые наборы из следующих информационных сообщений:

индикация измеренных значений параметров по вызову;

индикация и изменение заданных границ контроля параметров процесса;

звуковая сигнализация и индикация отклонений параметров за регламентные границы;

звуковая сигнализация и индикация отклонений скорости изменения параметров от заданных значений;

отображение состояния технологического процесса и оборудования на схеме объекта управления;

регистрация тенденций изменения параметров;

оперативная регистрация нарушений технологического процесса и действий оператора.

Информационное обеспечение (ИО) включает систему кодирования технологической и технико-экономической информации, справочную и оперативную информацию, содержит описание всех сигналов и кодов, используемых для связи технических средств. Применяемые коды должны включать минимальное число знаков, иметь логическую структуру и отвечать другим требованиям кодирования. Формы выходных докумен­тов и представлений информации не должны вызывать трудностей при их использовании.

При разработке и внедрении системы ИО АСУ ТП необходимо учитывать принципы организации управ­ления технологическим процессом, которым соответствуют следующие этапы.

Определение подсистем АСУ ТП и типов управленческих решений, по которым необходимо обеспече­ние научно-технической информацией. Результаты этого этапа используются для определения оптимальной структуры массивов информации, для выявления характеристик ожидаемого потока запросов.

Определение основных групп потребителей информации. Потребители информации классифицируются в зависимости от их участия в подготовке и принятии управленческих решений, связанных с организацией тех­нологического процесса. Накопление информации осуществляется с учетом видов задач, решаемых при управ­лении процессами. Потребитель может получить информацию по сопряженным технологическим участкам, также создаются условия для перераспределения информации при изменении потребностей.

Изучение информационных потребностей.

Изучение потоков научно-технической информации, необходимой при управлении процессами, бази­руется на результатах анализа управленческих задач. Наряду с потоками документальной информации анали­зируются факты, отражающие опыт данного и аналогичных предприятий.

Разработка информационно-поисковых систем для управления технологическим процессом.

Для автоматизированных систем характерны процессы переработки информации - преобразование, пере­дача, хранение, восприятие. При управлении технологическим процессом происходит передача информации и переработка управляющей системой входной информации в выходную информацию. При этом необходимы контроль и регулирование, заключающиеся в сравнении информации о результатах предшествующего этапа деятельности с информацией, соответствующей условиям достижения цели, в оценке рассогласования между ними и выработке корректирующего выходного сигнала. Рассогласование вызывается внутренними и внешни­ми возмущающими воздействиями случайного характера. Процесс передачи информации предполагает наличие источника информации и приемника.

Для обеспечения участия человека в управлении технологическим процессом необходимо документирова­ние информации. Для последующих анализов требуется накопление статистических исходных данных посред­ством регистрации состояний и значений параметров процесса во времени. На основе этого проверяется соблю­дение технологического процесса, качество продукции, контролируются действия персонала в аварийных си­туациях, осуществляется поиск направлений совершенствования процесса.

При разработке информационного обеспечения АСУ ТП, связанного с документированием и регистраци­ей, необходимо:

определить вид регистрируемых параметров, место и форму регистрации;

выбрать временной фактор регистрации;

минимизировать количество регистрируемых параметров из соображений необходимости и достаточ­ности для оперативных действий и анализа;

унифицировать форматы документов, их структуру;

ввести специальные реквизиты;

решить вопросы классификации документов и маршрутов их движения;

определить объемы информации в документах, установить место и сроки хранения документов.

Потоки информации в каналах связи АСУ ТП система должна передавать с необходимым качеством ин­формации от места ее образования к месту ее приема и использования. Для этого должны удовлетворяться сле­дующие требования:

своевременность доставки информации;

верность передачи - отсутствие искажений, потерь;

надежность функционирования;

единство времени в системе;

возможность технической реализации;

обеспечение экономической приемлемости информационных требований. Кроме того, система должна предусматривать:

регулирование информационных потоков;

возможность осуществления внешних связей;

возможность расширения АСУ ТП;

удобство участия человека в анализе и управлении процессом.

К основным характеристикам потока информации относятся:

объект управления (источник информации);

цель информации;

формат информации;

объемно-временные характеристики потока;

периодичность возникновения информации;

объект, использующий информацию.

При необходимости характеристики потока детализируются указанием:

вида информации;

наименования контролируемого параметра;

диапазона изменения параметра во времени;

числа одноименных параметров на объекте;

условий отображения информации;

скорости генерации информации.

К основным информационным характеристикам канала связи относятся:

местоположение начала и конца канала связи;

форма передаваемой информации;

структура канала передачи - датчик, кодер, модулятор, линия связи, демодулятор, декодер, устройство отображения;

вид канала связи - телефонный, механический;

скорость передачи и объем информации;

способы преобразования информации;

пропускная способность канала;

объем сигнала и емкость канала связи;

помехоустойчивость;

информационная и аппаратурная избыточность канала;

надежность связи и передачи по каналу;

уровень затухания сигнала в канале;

информационное согласование звеньев канала;

мобильность канала передачи.

В АСУ ТП может быть внесен временной признак информации, который предполагает единую систему времени с централизованной шкалой отсчета. Для информационных связей АСУ ТП характерной чертой явля­ется действие в реальном масштабе времени. Применение единой системы отсчета времени обеспечивает вы­полнение следующих задач:

документирование времени приема, передачи информации;

протоколирование происходящих в АСУ ТП событий;

анализ производственных ситуаций по временному признаку (очередность поступления, длительность);

учет времени прохождения информации по каналам связи и времени обработки информации;

управление очередностью приема, передачи, обработки информации;

задание последовательности управляющих воздействий в пределах единой шкалы времени;

отображение единого времени в пределах зоны действия АСУ ТП.

При создании АСУ ТП основное внимание уделяется сигналам, связанным с взаимодействием отдельных элементов. Изучению подлежат сигналы взаимодействия человека с техническими средствами и одних техни­ческих средств с другими техническими средствами. В связи с этим рассматриваются следующие группы сиг­налов и кодов:

Первая группа - представляет собой стилизованные языки, которые обеспечивают экономный ввод данных в технические средства и вывод их оператору. По характеру информации выделяют технические и экономиче­ские данные.

Вторая группа - решает задачи передачи данных и стыковки технических средств. Здесь основной про­блемой является верность передачи сообщения, для чего используют помехоустойчивые коды. Информацион­ная совместимость технических средств обеспечивается установкой дополнительной согласующей аппаратуры, использованием вспомогательных программ перекодировки данных.

Третья группа - представляет собой машинные языки. Обычно используют двоичные коды с элементами защиты данных по цифровому модулю, с дополнением кода проверочным разрядом.

Общие технические требования к АСУ ТП по информационному обеспечению:

максимальное упрощение кодирования информации за счет кодовых обозначений и кодов повторения;

обеспечение простоты декодирования выходных документов и форм;

3) информационная совместимость АСУ ТП со смежными системами по содержанию, кодированию, форме представления информации;

4) возможность внесения изменений в ранее переданную информацию;

5) обеспечение надежности выполнения системой своих функций за счет помехозащищенности информации.

Персонал АСУ ТП взаимодействует с КТС, воспринимая и вводя технологическую и экономическую ин­формацию. Кроме этого оператор взаимодействует с другими операторами и вышестоящим персоналом. Для облегчения этих связей принимаются меры по формализации потоков информации, их сжатию и упорядоче­нию. ЭВМ передает оператору информацию в виде световых сигналов, изображений, печатных документов, звуковых сигналов.

При взаимодействии оператора с УВК необходимо обеспечить:

Наглядное отображение функционально-технологической схемы объекта управления, информацию о его состоянии в объеме функций, возложенных на оператора;

отображение связи и характера взаимодействия объекта управления с внешней средой;

сигнализацию о нарушениях в работе объекта;

Быстрое выявление и ликвидацию неисправностей.

Отдельные группы элементов, наиболее существенные для контроля и управления объектом, обычно вы­деляют размерами, формой, цветом. Технические средства, используемые для автоматизации управления, по­зволяют вводить информацию только в определенной заранее обусловленной форме. Это приводит к необхо­димости кодирования информации. Обмен данными между функциональными блоками системы управления должен осуществляться законченными смысловыми сообщениями. Сообщения передаются двумя раздельными потоками данных: информационным и управляющим.

Сигналы информационного потока подразделяются на группы:

измеряемого параметра;

диапазона измерения;

состояния функциональных блоков системы;

адреса (принадлежность измеряемого параметра определенному блоку);

• служебный.

Для защиты от ошибок при обмене информацией через каналы связи на входе и выходе аппаратуры следу­ет использовать избыточные коды с их проверкой на четность, цикличность, итеративность, повторяемость. Вопросы защиты информации связаны с обеспечением надежности работы системы управления, формами представления информации. Информацию необходимо защищать от искажения и от использования ее не по назначению. Методы защиты информации зависят от производимых операций, от используемого оборудования

Оперативный персонал АСУТП состоит из технологов-операторов АТК, осуществляющих контроль за работой, и управле­ние ТОУ с использованием информации и рекомендаций по рацио­нальному управлению, выработанных комплексами средств автоматизации АСУТП, и эксплуатационного персонала АСУТП, обеспечива­ющего правильность функционирования комплекса технических и программных средств АСУТП. Ремонтный персонал в состав оперативного персонала АСУТП не входит.

В ходе процесса проектирования АСУТП разрабатывают­ся математическое и лингвистическое обеспечения, которые в явном виде не входят в состав функционирующей системы. Математическое обеспечение АСУТП представляет собой совокупность методов, моделей и алгоритмов, используемых в системе. Математическое обеспечение АСУТП реализуется в виде программ специального программного обеспечения. Лингвистическое обеспечение АСУТП представляет собой совокупность языковых средств для общения оперативного персонала АСУТП со средствами ВТ системы. Описание языковых средств включается в состав эксплуатационной документации орга­низационного и программного обеспечения системы. Метрологическое обеспечение АСУТП - это совокупность работ, проектных решений и технических и программных средств, направленная на обеспечение заданных точностных характеристик функций системы, реализованных на основе измерительной инфор­мация.

В состав оперативного персонала входят технологи-операторы автоматизиро­ванного технологического комплекса, осуществляющие управление технологическим объектом, и эксплуатаци­онный персонал АСУ ТП, обеспечивающий функционирование системы. Оперативный персонал может рабо­тать в контуре управления и вне него. В первом случае реализуются функции управления по рекомендациям, выдаваемым КТС. Во втором случае оперативный персонал задает системе режим работы, контролирует работу системы и при необходимости принимает на себя управление технологическим объектом. Службы ремонта в состав АСУТП не входят.

Диспетчерская служба в АСУ ТП находится на стыке управления технологическим процессом и управления производством. Операторские и диспетчерские пункты АСУ обеспечивают экономичное объедине­ние способностей оперативного персонала и возможностей технических средств.

В организационных структурах оперативного управления предприятием получили распространение сле­дующие виды пунктов оперативного управления:

Местные посты управления. Управление производится отдельными механизмами и агрегатами, об­служиваются мастерами, бригадами, аппаратчиками или обходчиками.

Операторские пункты являются нижней ступенью системы сбора, передачи технологической инфор­мации и управления объектом, организуются на участках, отделениях, цехах. Здесь решаются задачи поддер­жания заданного технологического режима, оптимизации технологического процесса, обеспечения ритмично­сти работы оборудования, устранение отклонений производственного процесса, предупреждение и ликвидация аварийных состояний. Информация на операторские пункты поступает от датчиков или от местных постов управления и воспроизводится в полном объеме. На операторский пункт поступает также плановая, норматив­ная, директивная информация из вышестоящих уровней управления. Операторы выполняют следующие функ­ции:

управление технологическим процессом и оборудованием на участке;

поддержание заданного технологического режима;

обеспечение выполнения сменного задания;

обеспечение ритмичности работы оборудования;

устранение отклонений процесса, предупреждение аварий;

контроль наличия запасов сырья и материалов;

выполнение распоряжений вышестоящего диспетчера;

контроль за работой обходчиков.

3. Диспетчерские пункты. На диспетчерских пунктах осуществляется сбор производственно-статистической информации, необходимой для определения ТЭП процесса, возможности его оптимизации взависимости от качества сырья, запасов, ресурсов, также решаются задачи оперативного контроля, учета, технико-экономического анализа, управления в масштабе участков, цеха. Основная задача управления на этой ступени - распределение и координация материальных и энергетических потоков для получения максимальной эффективности производства. Функциями сменных диспетчеров цеха являются:

1) обеспечение выполнения сменных заданий;

2) оперативное управление технологическим процессом в соответствии с заданиями и с использованием имеющихся технических средств;

координация работы участков цеха;

дистанционное управление поточно-транспортными системами;

контроль за работой оперативного персонала.

4. Центральные диспетчерские пункты:

обеспечение выполнения оперативных планов;

контроль и управление ходом выполнения сменных и суточных плановых заданий цехам и предпри­ятию;

сбор, предварительная обработка информации о состоянии технологического процесса, фиксация от­клонения от плановых показателей;

координация работы цехов и служб предприятия;

формирование отчетной информации о ходе выполнения плановых заданий, состоянии технологиче­ского процесса, оборудования, запасов.

Решение перечисленных задач обеспечивается выполнением следующих функций:

сбор, передача, прием информации, ее первичная обработка, приведение к виду, удобному для опера­тивного контроля и учета;

контроль работы оборудования, выполнения сменных и суточных планов цехов;

устранение аварийных ситуаций;

контроль за временем и причинами простоев оборудования;

учет материалов, топлива, расхода энергии;

координация производственной деятельности цехов, служб предприятия;

Контроль выполнения указаний руководства предприятия.

Диспетчерская служба в АСУ ТП призвана решать задачи:

1) оперативного учета:

выработка продукции за час, смену, сутки;

отгрузка продукции по видам за периоды;

остатки выработанной продукции;

количество нарушений технологических режимов;

время простоев оборудования по причинам за периоды;

время работы оборудования за периоды;

количество остановов оборудования между ремонтами;

потребление сырья, материалов, ресурсов за периоды.

2) оперативного анализа:

анализ выполнения плана, обнаружение помех;

оценка предаварийных ситуаций, выявление тенденций;

определение изменения ритмичности выпуска продукции;

анализ состояния оборудования и причин простоев;

выявление узких мест и резервов;

анализ тенденций изменения ТЭП;

анализ тенденций изменения запасов, транспортных средств;

определение наличия энергоресурсов;

контроль выработки, отгрузки, остатков готовой продукции;

анализ выполнения плана выпуска продукции с учетом отклонений;

анализ технологических параметров, качества продукции;

оценка отклонений параметров продукции от требуемых;

анализ фактических значений технологических параметров;

анализ отклонений технологических параметров;

анализ работы и видов простоя оборудования;

выявление отклонений от норм потребления сырья, энергоресурсов;

анализ качества сырья, ресурсов;

определение запасов сырья, транспортных средств;

анализ ТЭП за периоды;

выявление отклонений ТЭП от нормативов.

3) оперативного планирования:

выработка продукции за периоды;

элементы производства за периоды;

выработка продукции и расхода элементов производства.

4) оперативного прогнозирования:

выработка продукции за период;

предвидение аварийных ситуаций;

расчет ТЭП.

5) оперативного управления:

координация нагрузок исполнителей, оборудования, транспорта;

предотвращение аварийных ситуаций;

корректировка графиков ремонта оборудования;

изменение режимов работы оборудования.

Работа диспетчера требует высокой скорости принятия оптимальных решений, для чего необходимо зара­нее подготовить набор основных ситуаций и наилучших решений для каждой ситуации. Для производства це­лесообразно разработать технологический процесс работы каждого диспетчера. В начале определяются основ­ные функции и задачи, которые должен выполнять диспетчер, составляется укрупненная технология работы диспетчера. Затем на основе укрупненной технологии разрабатываются подробные технологические карты управления. Структура диспетчерского управления определяется организационной структурой предприятия, допустимой степенью централизации управления для данного производства.

При централизованной системе управления в цехах организуется ряд операторских пунктов, позволяющих управлять в соответствии с указаниями руководства предприятия.

Операторы в АСУ ТП осуществляют управление технологическими объектами. Они могут работать в кон­туре и вне контура управления. В контуре управления оператор выполняет функции управления, используя ре­комендации по рациональному управлению, выработанные техническими средствами. Вне контура управления оператор задает системе режимы работы, контролирует работу системы и при необходимости (авария, отказ) принимает на себя управление технологическим объектом. Работа оператора в АСУ ТП характеризуется нали­чием сложной техники, большими потоками информации, ограниченным временем для принятия решений.

Сложность работы оператора в АСУ ТП определяется необходимостью изучения технологии управляемого процесса, большим числом контрольно-измерительных приборов и органов управления, размещенных на пульте управления, значительной психологической нагрузкой. При управлении технологическим объектом оператор обеспечивает:

Закрепление технических знаний по участку (оборудование, режимы), связи с другими участками; рас­положение приборов контроля, управления, защиты, сигнализации;

слежение за ходом технологического процесса;

оценку качества работы автоматики, стабилизации параметров, характера внешних возмущений;

Дистанционное управление в различных ситуациях, регулирование параметров в условиях решения по­точных задач, минимизацию числа приборов;

проведение действий по включению и отключению вспомогательного оборудования;

формирование сообщений оперативному персоналу;

диагностирование неисправностей и их устранение;

быстрое считывание показаний приборов.

Основная литература

Федоров Ю.Н. Справочник инженера по АСУТП: Проектирование и разработка. – M.: Инфра-Инженерия, 2008. – 928 с.

Нестеров А.Л. Проектирование АСУТП: Методическое пособие. Книга 1. – СПб.: Издательство ДЕАН, – 2006. – 757 с

Нестеров А.Л. Проектирование АСУТП: Методическое пособие. Книга 2. – СПб.: Издательство ДЕАН, – 2009. – 944 с

Общеотраслевые руководящие методические материалы по созданию и применению автоматизированных систем управления технологическими процессами в отраслях промышленности (ОРММ – 3 АСУТП), - М.: ГКНТ. 1986г

Дополнительная литература

Материалы информационных порталов: www.kazatomprom.kz , www.kipiasoft.com, www.automatization.ru , www.scada.ru, www.automation-drives.ru , www.siemens.com , www.ad.siemens.de

• Быков Иван Андреевич , бакалавр, студент
• Волжский политехнический институт (филиал) Волгоградский государственный технический университет

• ПРИРОДНЫЙ ГАЗ
• АВТОМАТИЗАЦИЯ
• ПРОЦЕСС
• ОЧИСТКA

Данная публикация посвящена разработке системы управления технологическим процессом очистки природного газа, с целью повышения экономической эффективности, расположенном на предприятии ОАО «Волжский Оргсинтез». В работе разрабатывалась система автоматического управления путем замены устаревших компонентов на современные, с использованием в качестве основы для системы автоматического управления микропроцессорного контроллера фирмы ОВЕН ПЛК 160.

• Разработка автоматизированной системы управления технологическим процессом синтеза аммиака
• О возможности использования наполнителя к смазкам для улучшения приработки пар трения
• Разработка автоматизированной системы управления технологическим процессом разделения воздуха
• Разработка автоматизированной системы управления процессом производства смазывающе-охлаждающей жидкости

Использование природного газа без очистки в технологическом процессе нецелесообразно. Содержащиеся в нем примеси, в частности, этан, пропан и углеводороды высшего ряда, сероводород несовместимы с нормальной работой генератора цианированных газов и приводят к зауглероживанию и отравлению платинового катализатора. Поэтому возникает необходимость в предварительной очистке природного газа.

Автоматизация процесса очистки природного газа позволяет улучшить качество регулирования, улучшает условия труда рабочих, так как применение автоматизации позволяет сократить до минимума пребывания рабочих в производственных помещениях

Рисунок 1. Технологическая схема очистки природного газа.

Основные показатели эффективности:

• Качество конечного продукта: концентрация примесей в газе
• Производительность: количество газа за единицу времени
• Экономические затраты: расход природного газа, расход азота, воды и электроэнергии

Адсорбенты, применяемые в процессах очистки от загрязнений отходящих газов, обязаны удовлетворять надлежащим требованиям:

• обладать большой адсорбционной способностью при впитывании загрязнений при небольших скоплениях их в газовых смесях;
• иметь высокую избирательность;
• обладать высокой механической прочностью;
• иметь способность к восстановлению;
• обладать небольшой стоимостью.

Главными промышленными адсорбентами считаются пористые тела, имеющие большой объем микропор. Характеристики адсорбентов определяются природой материала, из которого они сделаны, и пористой внутренней структурой.

Цели управления: поддерживать концентрацию вредных примесей в газе на минимальном уровне при оптимальном количестве получаемого очищенного газа и минимальных затратах на процесс при условии, что процесс должен быть безаварийным, безопасным и непрерывным.

Выбор регулируемых параметров

Качество не подлежит регулированию, так как отсутствуют средства автоматизации для измерения концентрации примесей в газе.

Параметры влияющие на технологический процесс:

• расход природного газа;
• расход воды;
• расход азота;
• температура природного газа на выходе из холодильника;
• давление в демпферах;
• давление в сборниках.

Контролируемые параметры выбираются из следующих соображений: при минимальном их количестве они должны дать максимум информации о ходе процесса.

Контролю прежде всего подлежат все регулируемые параметры: давление в демпферах, температура природного газа на выходе из холодильника, давление в сборниках, разность давлений в адсорберах.

Контролю подлежат параметры, текущее значение которых необходимо знать для подсчёта технико-экономических показателей: расход воды, азота, продувочного газа, природного газа, температура электродвигателя компрессора.

При выборе сигнализируемых параметров необходимо проанализировать объект на пожаро-взрывобезопасность и выявить параметры, которые могут привести к аварийной ситуации в объекте.

При выборе технических средств в данном проекте предлагается использование следующих элементов:

В качестве датчиков температуры использованы термопары с унифицированным выходным сигналом Метран - 280Ex. В качестве датчиков избыточного давления используются преобразователи давления Метран-150 Ex, предназначенные для непрерывного преобразования избыточного давления в унифицированный выходной токовый сигнал. Для измерения расхода был выбран расходомер Rosemount8800D Ex фирмы Emerson. Для внесения регулирующего воздействия применяются исполнительные механизмы МИМ-250. В качестве электропривода для компрессора выбран частотный преобразователь типа HYUNDAI N700E-2200HF. Электропневматический преобразователь ЭП-Ех используется для преобразования унифицированного непрерывного сигнала постоянного тока в унифицированный пропорциональный пневматический непрерывный сигнал. Пассивный барьер искрозащиты БИП-1 используется для обеспечения искробезопасности цепей электропневмопреобразователей ЭП-Ех и электропневмопозиционеров ЭПП-Ех, находящихся во взрывоопасной зоне. Для питания датчиков, а также модулей контроллера выбран блок питания DLP180-24 24В DC/7,5A фирмы TDK-Lambda. Для контроля и регулирования технологических параметров процесса выбирается программируемый логический контроллер ПЛК160 фирмы ОВЕН.

При определении показателей эффективности процесса был сделан вывод, что основным показателем эффективности является качество получаемого продукта на выходе из объекта управления. В качестве регулирующего контроллера был выбран ОВЕН ПЛК 160, который обеспечивает заданное регулирование процессом получения цианистого водорода.

По сравнению с действующей системой были сформированы и решены основные задачи оптимизации системы управления, такие как составление математической модели объекта управления. Был произведен анализ наблюдаемости и управляемости объекта управления, анализ качества управления объектом. Произведен расчет настроечных коэффициентов П–, ПИ–, ПИД–регуляторов, проведено моделирование процесса управления. В ходе расчетов было выяснено, что ПИД–регулятор обладает наилучшими показателями качества управления.

Список литературы

1. Шувалов В.В., Огаджанов Г.А., Голубятников В.А. Атоматизация производственных процессов в химической промышленности. - М.: Химия 1991. - С. 480.
2. Кутепов А. М., Бондарева Т. И., Беренгертен М. Г. Общая химическая технология. – М. : Высшая школа, 1990. – 387 с.
3. Автоматизированные системы управления в промышленности: учеб. пособие / М. А.Трушников [и др.] ; ВПИ (филиал) ВолгГТУ. - Волгоград: ВолгГТУ, 2010. - 97 с.
4. Основы автоматизации типовых технологических процессов в химической промышленности и в машиностроении: учеб. пособие / М. А. Трушников [и др.] ; ВПИ (филиал) ВолгГТУ. - Волгоград: ВолгГТУ, 2012. - 107 с.

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Размещено на http://www.allbest.ru

Введение

2.3 Структура АСУ ТП ДНС

2.4 Комплекс технических средств 20

2.4.6 Расходомер Метран-350

2.4.8 Вибропреобразователь DVA-1-2-1 27

2.4.10 Анализатор влажности 3050 OLV

2.4.12 Кабельная продукция

3.1 Обоснование выбора контроллера

3.2 Основные технические данные контроллера SLC 5/04

3.3 Конфигурация контроллера

3.4 Программирование контроллера

3.6 Операторский интерфейс

4. Расчет надежности проектируемой системы

4.1 Общие положения

4.2 Интенсивность отказов

4.3 Среднее время безотказной работы

4.4 Вероятность безотказной работы

4.5 Среднее время восстановления

4.6 Вывод по разделу

5. Оценка экономической эффективности

5.1 Методика расчета экономических показателей проектируемой системы

5.2 Расчет единовременных затрат

5.3 Расчет обобщающих показателей экономической эффективности

5.4 Выводы по разделу

6. Безопасность и экологичность проекта

6.1 Обеспечение безопасности работающих

6.1.1 Характеристика условий труда

6.1.2 Средства индивидуальной защиты

6.1.3 Электробезопасность

6.2 Оценка экологичности проекта 80

6.2.1 Воздействие объектов ДНС на окружающую среду

6.2.2 Воздействие ДНС на поверхностные и подземные воды

6.2.3 Почвенно-растительный покров

6.2.4 Противопожарные мероприятия

6.3 Прогнозирование чрезвычайных ситуаций

6.4 Выводы по разделу

Заключение

Список используемых источников

В ведение

Современные нефти и газодобывающие предприятия представляют собой сложные комплексы технологических объектов, рассредоточенных на больших площадях, размеры которых достигают десятков и сотен квадратных километров.

Успешный процесс переработки и перекачки нефти и газа зависит от строгого контроля и поддержания на заданном уровне давления, температуры, расхода, а также от контроля качества выходного продукта. Поддержание с заданной точностью на заданном уровне параметров быстротекущих процессов при ручном управлении оказывается не возможным. Поэтому современное нефтехимическое и нефтеперерабатывающие производство возможно только при оснащении технических установок соответствующими автоматическими измерительными приборами, информационно-измерительными системами и системами автоматического управления. Таким образом, современный этап развития добычи и переработки нефти и газа немыслим без применения контрольно-измерительных приборов и микропроцессорной техники.

АСУ ТП обеспечивает: представление оперативной информации персоналу для диагностики и прогнозирования состояния оборудования, контроль и управление технологическими процессами и оборудованием, предоставление возможности выяснения причин нарушения нормального режима работы, анализ разных рабочих ситуаций.

В данном дипломном проекте производиться разработка проекта автоматизации дожимной насосной станции ДНС-7 Федоровского нефтегазового месторождения, предназначенного для контроля, управления, регулирования и сигнализации аварий, происходящих на данном объекте. В связи с тем, что ДНС-7 была построена и запущена в эксплуатацию в конце 70-х годов, приборы и средства автоматизации на данный момент морально устарели и не предоставляли достаточный уровень информативности и управляемости системы. Для того чтобы упростить процесс эксплуатации, повысить надежность системы в данном проекте была произведена замена старых приборов и датчиков на новые более современные и применен микропроцессорный контроллер для централизованного управления технологическим процессом.

1. Общая характеристика объекта автоматизации

1.1 Информация об объекте управления

Дожимная насосная станция ДНС-7 входит в состав Федоровского нефтегазового месторождения.

Данное месторождение открыто в 1971. Залежи на глубине 1,8-2,3 км. Начальный дебит скважин 17-310 т/сут. Плотность нефти 0,86-0,90 г/см3.

Федоровское нефтегазовое месторождение входит в состав ОАО «Сургутнефтегаз», одной из крупнейших Российских. Сфера деятельности компании охватывает разведку, обустройство и разработку нефтяных и нефтегазовых месторождений, добычу и реализацию нефти и газа, производство и сбыт нефтепродуктов и продуктов нефтехимии.

“Сургутнефтегаз” отличает стабильная динамика роста, основанная на высоких темпах роста производства и постоянном наращивании сырьевого потенциала. Гибкая долгосрочная стратегия развития компании основана на многолетнем опыте и использовании новейших технологий.

Территория по среднему течению реки Оби, в районе города Сургута, в середине шестидесятых годов стала одним из первых районов добычи нефти и газа в Западной Сибири. В 1993 году на базе имущественного комплекса производственного объединения “Сургутнефтегаз” было основано одноименное акционерное общество.

В настоящее время более чем 50 подразделений ОАО “Сургутнефтегаз” выполняют полный комплекс работ по разведке, обустройству и разработке нефтяных и нефтегазовых месторождений, добыче и реализации нефти и газа .

1.2 Описание технологического процесса

В качестве схемы промыслового сбора нефти, нефтяного газа и воды принята однотрубная напорная система, обеспечивающая транспортировку добытой нефти через все технологические объекты, включая и объекты подготовки нефти, за счет устьевых давлений скважины при любом способе их эксплуатации. Напорные двух- и многотрубные системы сбора допускаются лишь на участке от групповых установок до установок подготовки нефти при раздельном сборе соответственно обводненной и необводненной или разносортной нефти. Стремление максимально использовать энергию пласта приводит к тому, что фонтанную скважину переводят на механизированный способ добычи только тогда, когда полностью прекращается фонтанирование. Это приводит к необходимости сооружать дожимные насосные станции (ДНС), совмещенные с сепарационными емкостями. Кроме того, для сбора газа от сепарированного на ДНС, строят промысловые газосборные сети.

В случае большого содержания воды (свыше 30%) транспортируемой жидкости применяются сепарационные установки. Водонефтяная смесь поступает сначала во входные сепараторы СВ-1/1 и СВ-1/2, которые предназначены для отделения основной массы жидкости от газа, одновременно эти аппараты являются гасителями пульсаций газожидкостного потока. Далее жидкость сливается в сепараторы первой ступени С-1/1…С-/4 под действия гидростатического столба жидкости(за счет разности высот установки аппаратов). После сепараторов первой ступени обводненная разгазированная нефть поступает в отстойники О-1 и О-2, где происходит отделение нефти от воды. Частично разгазированная нефть поступает на вход установки предварительного сброса воды типа «Хитер-Тритер» Х/Т-1 и Х/Т-2. Затем нефть со средней обводненностью менее 10% поступает на сепаратор второй ступени С-2/1 и С2/2, где происходит окончательное разгазирование. после этого осуществляется учет нефти по объему, массе (28-280 м 3 /ч) и подача на нефтепровод. Выделившийся из нефти газ в сепарационных установках и в установке предварительного обезвоживания “Хитер-Тритер” (печь) подается на ГПЗ, а также на факел. Отделившаяся на обезвоживающих установках пластовая вода поступает в резервуары, а затем на кустовые насосные станции, откуда она поступает для закачки в нагнетательные скважины .

Генеральный план ДНС представлен в приложении А.

• 1.3 Современный подход к разработке АСУ ТП ДНС
• В рамках реконструкции дожимной насосной станции ДНС-4А ОАО "Сургутнефтегаз" успешно ввел в промышленную эксплуатацию новую АСУ ТП, разработанную с использованием SCADA-системы TRACE MODE (Россия). АСУ ТП ДНС-4А контролирует свыше 1600 параметров технологического процесса подготовки нефти и обеспечивает их визуализацию на 18 графических мнемосхемах и на архивных трендах. В АСУ ТП ДНС-4А реализовано автоматическое и удаленное ручное управление задвижками и клапанами. Система интегрирована с узлами учета нефти и газа. Данные из SCADA TRACE MODE постоянно передаются в корпоративную информационную систему ОАО "Сургутнефтегаз". В АСУ ТП ДНС-4А использованы австрийские контроллеры Bernecker & Rainer (B&R), драйвер к которым входит в обширную библиотеку бесплатных драйверов TRACE MODE (более 1585 бесплатных драйверов). Это уже вторая ДНС, принадлежащая ОАО "Сургутнефтегаз", система автоматизации которой основана на SCADA TRACE MODE. Ранее, в 2003 году, была внедрена АСУ ТП ДНС Пильтанского месторождения. Разработка первой АСУ ТП ДНС проводилось силами компании ООО "АТ" - Авторизованного системного интегратора SCADA TRACE MODE из Москвы. Вторая АСУ ТП дожимной насосной станции полностью спроектирована и реализована собственными силами сотрудников ОАО "Сургутнефтегаз".
• Перед началом работ над проектом два специалиста ОАО "Сургутнефтегаз" прошли обучение в авторизованном учебном центре AdAstra Research Group и получили квалификацию сертифицированных инженеров TRACE MODE. При разработке АСУ ТП ДНС-4А ими были учтены все замечания и пожелания технологов, благодаря чему новая система стала более эргономичной и удобной в эксплуатации. Специалисты ОАО "Сургутнефтегаз" по достоинству оценили гибкость TRACE MODE как универсальной SCADA системы для объектов нефтедобычи. В настоящее время рассматриваются проекты применения SCADA TRACE MODE на еще нескольких ДНС и других объектах ОАО "Сургутнефтегаз". Список внедрений SCADA системы TRACE MODE в нефтедобывающей отрасли продолжает расти .
• Квалифицированная разработка алгоритмов управления АСУ ТП подготовки и перекачки нефти позволила специалистам компании IBS обеспечить минимально необходимое вовлечение персонала технологических объектов в процесс управления механизмами и агрегатами. Такой подход существенно снижает нагрузку на оператора и тем, самым уменьшает возможное негативное влияние "человеческого фактора" на рост себестоимости продукции, создание предпосылок аварийных ситуаций и загрязнения окружающей среды.
• Около 95% российской нефти добывается сегодня методом заводнения. В результате обводненость нефти в процессе добычи возрастает до 80 и более процентов, что приводит к необходимости осуществления дополнительных мероприятий по подготовке нефти и вызывает постоянный рост себестоимости продукции. Более точно -- с ростом обводненности нефтегазовой эмульсии повышаются затраты на отделение нефти, воды, попутного газа, механических примесей и на дожимной насосной станции (ДНС) все больше появляется функций, характерных для установки подготовки и перекачки нефти (УППН). Это означает, что традиционная с точки зрения функциональности ДНС постепенно эволюционирует в сторону УППН. Нефтяники в какой то момент поняли неэффективность перегонки по внутри промысловым трубопроводам (длина которых, зачастую, может быть весьма значительной) эмульсии, содержащей 80-90 % воды. В связи с этим стали применяться средства и агрегаты по уменьшению обводненности непосредственно на ДНС. Хотя иногда ставят мульти фазные насосы, но их применение довольно ограничено. В основном в управлении обводненностью переносится на оптимальное управление процессом подготовки нефти на ДНС.
• Очевидно необходимо решать следующую задачу -- удержать на прежнем уровне затраты на подготовку нефти и при этом сохранить уровень качества нефти.
• Существуют объективные факторы, которые накладывают определенные требования на АСУ ТП подготовки нефти в Западной Сибири -- удаленность площадок подготовки от населенных пунктов, жесткий климат и вытекающая отсюда организация работ (сменный персонал, текучесть квалифицированных кадров), пожароопасность, неразвитость инфраструктуры. Эти обстоятельства должны породить новый подход к построению АСУТП, в котором должно быть реализовано повышенное внимание к надежности и трудоемкости.
• Развернуть проект по внедрению нового типа АСУ ТП было решено на Пермяковском и Кошильском месторождениях "Нижневартовского нефтегазодобывающего предприятия" (ННП), компании ТНК. ННП -- одно из градообразующих предприятий этого региона. Оно разрабатывает ряд месторождений, находящихся на значительном удалении от города (до 450 км), что обусловливает наличие некоторых особенностей в его деятельности. Так, помимо жестких климатических условий, характерных для данного региона в целом, вся работа на объектах ННП ведется вахтовым методом, что предполагает повышенные затраты на жизнеобеспечение работающих (вплоть до привозной питьевой воды), на поддержание инфраструктуры. Именно поэтому любые возможности оптимизации экономических показателей, снижения трудозатрат и отрицательного влияния роли "человеческого фактора", а следовательно, и себестоимости добычи нефти здесь весьма актуальны. Кроме того, для двух ДНС предприятием уже были закуплены импортные установки предварительного сброса воды "Sivalls", сами по себе требовавшие нового уровня промышленной автоматики.
• Общая задача, поставленная перед специалистами IBS формулировалась в сугубо экономических терминах -- улучшить качество подготовки нефти, одновременно снизив себестоимость этого процесса. Особое внимание уделялось возможности последующей стабилизации уровня себестоимости, компенсирующей ожидаемое увеличение обводненности извлекаемой нефти. Проект создания АСУ ТП нового поколения для ДНС, входящих в производственную структуру нефтедобывающих предприятий ТНК, был реализован компанией IBS в период 2001-2002 гг. В процессе реализации проекта был выполнен весь цикл работ, необходимых для ввода в эксплуатацию АСУ ТП ДНС -- от разработки технических решений по автоматизации до проведения пусконаладочных работ на объекте и обучения персонала. Логически было выделено 3 основные уровня системы: площадка подготовки нефти, уровень нефтепромысла (удаление от площадок подготовки нефти -- 50 км), уровень НГДУ (в городе, удаленном на 400 км от нефтепромысла). Таким образом, получилось 3 зоны, охваченные проектом.
• Первым этапом работ были обеспечены традиционные функции мониторинга ТП непосредственно на площадке подготовки нефти. Технологической целью этой очереди проекта являлось обеспечение стабильной обводненности выходной нефти при нестабильных характеристиках поступающей на площадку водонефтегазовой эмульсии. Был выполнен монтаж контрольно-измерительного оборудования (более 200 типов), инсталлирован и сконфигурирован SCADA-пакет InTouch на 1500 тегов (на каждой площадке подготовки), а также система поддержки регламентных работ Avantis.Pro.
• Разработка, реализованная на втором этапе (также на базе линейки продуктов компании Wonderware -- Industrial SQL, Active Factory, Suite Voyager, SCADA Alarm) позволяет разделять событийный поток, идущий от технологического объекта управления, и распределять различные его составляющие между рабочими местами специалистов (оператор, технолог, механик, энергетик, геолог), способных принять решения по данным событиям.
• Наконец, на третьей фазе работ была реализована парадигма "процессного" управления.
• Если говорить о технических перспективах проекта, то необходимо отметить следующее. Построение вертикали "площадка и InTouch -- технологический сервер Industrial SQL -- рабочие места в НГДУ на базе MS Office + Active Factory" позволяет наращивать как число присоединяемых технологических объектов, так и число рабочих мест в НГДУ. Потенциально узким местом является тэговая емкость Industrial SQL, так как через него все технологические параметры доставляются в НГДУ. Заложенная емкость (100.000 тэгов), по нашим расчетам, позволяет подключить все кусты месторождения, и таким образом, прийти к ситуации, когда вся технологическая информация с месторождения концентрируется в одном месте и в едином формате, что крайне привлекательно с точки зрения возможности глубокого анализа протекания ТП.
• Укажем основные статьи эксплуатационных затрат, на которые позитивно повлияло создание данной АСУ ТП:
• ­ ремонты технологического оборудования, ликвидация аварий и сопутствующий расход комплектующих, энергоносителей, материалов, транспортных ресурсов;
• ­ расход эксплуатационных материалов;
• ­ штрафы (например, за нарушение экологического состояния прилегающей территории);
• ­ расходы на обеспечение контроля качества и количества сданной нефти;
• ­ выплаты сотрудникам, которые получили повреждения в авариях.
• ­ Эти затраты могут быть приняты за экономические критерии оценки эффективности АСУ ТП. По разным статьям затрат экономия составила 5-30%, что было сочтено результатом, адекватным произведенным инвестициям. Очевидно, что эти показатели также свидетельствуют об успешности проекта в целом .
• 2. Автоматизация технологического процесса
• 2.1 Целевая функция автоматизации
• Автоматизация производства выполняется для облегчения процесса управления объектом, в следствии чего отпадает необходимость привлечения большого количества операторов. Постом управления станции является пульт управления, расположенный в операторной. С него осуществляется дистанционный контроль и управление оборудованием, а также режимами работы основных и вспомогательных объектов. Схема автоматизации представлена в приложении Б.

Технологический процесс должен протекать как можно более безопасно во всех его стадиях, для этого в системе автоматизации применяются новые, более точные, по сравнению с ранними разработками, приборы, датчики и исполнительные механизмы. Возможности системы в части отслеживания параметров процесса, срабатывания цепей управления КИПиА и аварийного отключения функционируют независимо друг от друга, это реализовано с целью обеспечить максимальную безопасность производства. Проектирование АСУ осуществляется таким образом, чтобы обеспечить безопасное, надежное и точное управление системами станции, а также предусмотреть эксплуатацию установки в наиболее эффективном режиме.

2.2 Функции разрабатываемой системы

Актуальность создания системы значительно возросла в последнее время в связи с повышением стоимости нефти, энергоресурсов, реагентов, затрат на содержание обслуживающего персонала и поддержание экологии окружающей среды.

Основные функции АСУ ТП включают:

­ сбор информации о контролируемом технологическом процессе подготовки нефти;

­ передача управляющих команд в технический комплекс технического уровня;

­ регистрация событий (предыстория событий), связанных с контролируемым технологическим процессом;

­ регистрация действий персонала;

­ оповещение персонала об обнаруженных аварийных событиях, связанных с ходом контролируемого технологического процесса;

­ непосредственное автоматическое управление технологическим процессом в соответствии с заданными алгоритмами с возможностью перехода в ручной режим, так со щита автоматики, так и по месту;

­ отображение на автоматизированном рабочем месте технологических параметров процесса в реальном времени, а также представление архивной информации в удобной для восприятия форме;

­ ведение архивной базы данных .

Средством достижения этих целей является использование современных технических средств, в том числе и микропроцессорных.

Применяемые технические средства должны позволять реализовать из заданного набора алгоритмов одноконтурные, многоконтурные и многосвязные системы автоматического регулирования, сигнализации и защиты, а так же оперативно преобразовывать и усовершенствовать существующие схемы защиты, регулирования и сигнализации.

Применение современных микропроцессорных средств должно позволить, в случае необходимости, развитие системы управления, а так же ее связь с другими информационными сетями, в том числе более высокого уровня.

2.3 Структура АСУ ТП ДНС

В АСУ ТП ДНС выделяют основные 2 уровня иерархии:

­ нижний уровень - уровень датчиков, приборов, исполнительных механизмов;

­ верхний уровень - микропроцессорных контроллеров и автоматизированных рабочих мест операторов.

Все датчики, приборы и исполнительные механизмы нижнего уровня выполнены во взрывоопасном исполнении и рекомендованы для применения в нефтегазовой отрасли. Основной функцией нижнего уровня является преобразование необходимых технологических параметров в электрические сигналы и обработка сигналов микропроцессорным контроллером.

Основными функциями верхнего уровня является полученние с нижнего уровня информации, передача управляющих команд.

На щите автоматики на основе технологического контроллера АСУ ТП и вторичных приборов датчиков реализованы:

­ схемы технологических защит установки;

­ схемы сбора телемеханической информации с первичных датчиков установленных на технологических объектах;

­ пусковая аппаратура;

­ ручное управление.

Оборудование сопряжения с технологическим оборудованием построено на основе технологического контроллера SLC5/04 производства фирмы Allen Bradley с модулями ввода сигналов от измерительных приборов и датчиков, установленных на технологическом оборудовании, и модулями управления пусковой аппаратурой.

Автоматизированное рабочее место оператора разрабатывается на основе операционной системы Microsoft WINDOWS с применением инструментов разработки SCADA-систем RSView32.

АСУ ТП предусматривает возможность регламентированного вмешательства оператора в ход технологического процесса (открытие/закрытие электрозадвижек, переопределение уставок для регуляторов и т.п.) путем подачи команд с автоматизированного рабочего места оператора, организованного на базе промышленного персонального компьютера .

2.4 Комплекс технических средств

Все датчики, приборы и исполнительные механизмы выполнены во взрывоопасном исполнении и рекомендованы для применения в нефтегазовой отрасли. Выбранные датчики имеют высокую точность измерения, устойчивы к внешним воздействиям различного рода.

2.4.1 Манометр показывающий сигнализирующий ДМ-2005 Сг 1Ex

Манометры показывающие сигнализирующие ДМ - 2005 Cг 1Ех предназначены для измерения избыточного и вакуумметрического давления различных сред и управлений внешними электрическими цепями от сигнализирующего устройства прямого действия.

Приборы являются взрывозащищенными с видом взрывозащиты "взрывонепроницаемая оболочка" и имеют маркировку по взрывозащите 1ЕхdII ВТ4.

По защищенности от воздействия окружающей среды приборы имеют исполнения:

­ по устойчивости к атмосферным воздействиям - обыкновенное и защищенное от попадания внутрь пыли и воды;

­ по устойчивости к воздействию агрессивных сред - обыкновенное и защищенное от воздействия агрессивных сред.

Контролируемые среды: неагрессивные, некристализирующие жидкости, газы, пары в том числе кислород.

Технические данные:

­ диапазон показаний приборов, МПа

от 0 до 0,1; 0,6; 0,25; 0,4; 0,6; 0,1; 1,6; 2,5; 4,0; 6,0; 10,0; 16,0; 25,0; 40,0; 60,0;100,0;160,0;

­ класс точности приборов 1,5;

­ диапазон измерений избыточного давления должен быть от 0 до 75% диапазона показаний; вакуумметрического давления равен диапазону показаний;

­ диапазон установок приборов: от 5 до 95% диапазона показаний - для диапазона измерений от 0 до 100%, от 5 до 75% диапазона показаний - для диапазона измерений от 0 до 75 %;

­ минимальный диапазон установок, задаваемый сигнализирующим устрой-ством от 0 до 10% диапазона установок;

­ параметры сигнализирующего устройства: напряжения внешних ком-мутируемых цепей: 24; 27; 36; 40; 140; 220; 380В - для цепей переменного тока и 24; 27; 36; 40; 110; 220 В - для цепей постоянного тока;

­ разрывная мощность контактов 10Вт постоянного и 20ВA контактами; 30Вт постоянного и 50ВA переменного тока - для сигнализирующего устройства с магнитным поджатием контактов;

­ сила тока до 1 A;

­ отклонение напряжения от номинальных значений должно быть от + 10 до - 15 %;

­ частота переменного тока (50+/-1) Гц;

­ предел допускаемой основной погрешности срабатывания сигнализирующего устройства: +/- 2,5% диапазона показаний - для приборов со скользящими контактами; +/- 4% диапазона - для приборов с магнитным поджатием контактов;

­ приборы устойчивы к воздействию температуры окружающего воздуха от -50 до + 60 С и относительной влажности до 98% при 35 С и более низких температурах конденсации влаги;

­ приборы устойчивы к воздействию вибрации частотой (5 - 35)Гц с амплитудой смещения 0,35мм .

2.4.2 Сигнализатор уровня ультразвуковой СУР-3

Сигнализатор уровня ультразвуковой СУР-3 предназначен для сигнализации положения уровня различных жидких продуктов в двух точках технологических емкостей и управления технологическими агрегатами.

Технические данные:

­ четыре оптоэлектронных ключа типа «сухой контакт»;

­ индикация положения первого и второго предельного уровней с помощью светодиодов;

­ максимальная длина чувствительного элемента 4м(жесткий ЧЭ) и 16м (гибкий ЧЭ);

­ срок службы не менее 10 лет;

Измеряемые среды: жидкие (нефть, темные и светлые нефтепродукты, сжиженный газ) .

2.4.3 Сигнализатор уровня ультразвуковой СУР-5

Сигнализатор уровня ультразвуковой СУР-5 предназначен для выдачи электрического сигнала в систему автоматического контроля и управления при достижении аварийного уровня жидких продуктов.

Технические данные:

­ два оптоэлектронных ключа типа «сухой контакт»;

­ индикация положения уровня с помощью светодиодов;

­ рабочее избыточное давление 84…106.7 кПа;

­ рабочая температура от -45 до +65 С;

­ длина чувствительного элемента 0,25…0,4м;

­ средняя наработка на отказ не менее 50000ч;

­ срок службы не менее 10 лет .

2.2.4 Датчик уровня ультразвуковой ДУУ4

Датчик уровня ультразвуковой ДУУ4 предназначены для измерения уровня различных жидких продуктов. Датчики могут осуществлять:

­ контактное автоматическое измерение уровня жидкостей;

­ контактное автоматическое измерение до четырех уровней раздела несмешиваемых жидких продуктов;

­ измерение температуры контролируемой среды в одной точке;

­ измерение давления контролируемой среды.

Технические данные:

­ выходной сигнал 4-20мА или сухие контакты или RS-485(Modbus RTU);

­ рабочее избыточное давление 2 МПа;

­ рабочая температура от -45 до +95 С;

­ длина чувствительного элемента 4м(жесткий ЧЭ) или 25м (гибкий ЧЭ);

­ средняя наработка на отказ не менее 50000ч;

­ срок службы не менее 8 лет .

2.4.5 Термопреобразователь с унифицированным выходным сигналом МЕТРАН 200Т-Ех

Датчики предназначены для непрерывного преобразования температуры жидкостей, пара и газов в унифицированный токовый электрический выходной сигнал дистанционной передачи, которые могут использоваться для работы в системах автоматического контроля, регулирования и регистрации температуры на объектах в различных отраслях промышленности, энергетики, коммунального хозяйства.

Технические данные:

­ диапазон измеряемых температур 0 - 150 о С;

­ предел допускаемой основной погрешности?0,5 %;

­ дополнительная погрешность датчиков, вызванная воздействием вибрации, выраженная в процентах от диапазона изменения выходного сигнала, не должна превышать 0,25%;

­ изменение значения выходного сигнала, вызванное изменением нагрузочного сопротивления от 0,1 до 1,0 не превышает? 0,1%;

­ дополнительная погрешность датчиков, вызванная изменением температуры окружающего воздуха в рабочем диапазоне, выраженная в процентах от диапазона изменения выходного сигнала на каждые 10 о С, не превышает 0,45%;

­ длина погружаемой части в зону измерения 120 мм;

­ температура окружающей среды от минус 50 до 60 о С;

­ предельное значение выходного сигнала 4-20 мА;

­ сопротивление нагрузки, подключаемое на выходе датчика, включая линию связи - от 0,1 до 1,0 кОм;

­ напряжение питания постоянного тока 36 ? 0,72 В;

­ потребляемая мощность, не более 0,8 Вт;

­ устойчивость к пыли и брызгам IP 54;

­ климатическое исполнение и категория исполнения У.2;

­ назначенный срок службы до списания датчика 12 лет;

­ норма средней наработки на отказ 32000 ч;

­ масса датчика, не более 0.73 кг .

2.4.6 Расходомер Метран-350

Расходомер Метран-350 (совместное производство с компанией Emerson Process Management) предназначен для работы в системах автоматического контроля, регулирования и управления технологическими процессами в различных отраслях промышленности, а также в системах коммерческого учета жидкостей, пара и газов.

Основные преимущества:

­ простая установка в трубопровод через одно отверстие;

­ установка в трубопровод без остановки процесса (специальная конструкция);

­ минимальная вероятность утечек измеряемой среды;

­ более низкие потери давления и меньшие длины прямолинейных участков по сравнению с расходомерами на базе сужающих устройств;

­ существенное снижение стоимости монтажа и обслуживания благодаря интегральной конструкции;

­ легкость взаимодействия с существующими контрольными системами или вычислителями расхода посредством интеллектуального протокола коммуникаций HART и Modbus;

­ простота перенастройки динамического диапазона;

­ высокая надежность, отсутствие движущихся частей.

Измеряемые среды: газ, пар, жидкость.

Параметры измеряемой среды:

­ температура: -40…400 °С - интегральный монтаж и -40…677 °С - удаленный монтаж;

­ избыточное давление в трубопроводе 25 МПа.

Пределы основной допускаемой относительной погрешности измерений массового (объемного) расхода до ±1 %.

Самодиагностика.

Средний срок службы - 10 лет.

Межповерочный интервал - 2 года.

Принцип действия расходомера Метран-350 основан на измерении расхода и количества среды (жидкости, пара, газа) методом переменного перепада давления с использованием усредняющих напорных трубок моделей Annubar Diamond II+ (4 поколение) и Annubar 485 (5 поколение), на которых возникает перепад давлений, пропорциональный расходу. Сенсоры устанавливается перпендикулярно направлению потока, пересекая его по всему сечению .

2.4.7 Интеллектуальный датчик давление Метран 100

Для получения аналоговых данных об избыточном давлении на различных узлах используются интеллектуальные датчики давления Метран-100-ДИ. Для измерения разности давлений на входе и выходе фильтров используются датчики Метран-100-ДД .

Диапазоны измеряемых давлений:

­ минимальный 0-25 кПа;

­ максимальный 0-25 МПа.

Основная погрешность до ±0.1% от диапазона.

Исполнения:

­ обыкновенное;

­ взрывозащищенное (Ex);

Межпроверочный интервал: 3 года.

Гарантийный срок эксплуатации: 3 года.

Возможности датчика:

­ контроль текущего значения измеряемого давления;

­ контроль и настройка параметров датчика;

­ установка "нуля";

­ выбор системы и настройка единиц измерения;

­ настройка времени усреднения выходного сигнала (демпфирование);

­ перенастройка диапазонов измерения, в том числе на нестандартный (25:1, 16:1, 10:1);

­ настройка на "смещенный" диапазон измерения;

­ выбор зависимости выходного сигнала от входной величины: (линейно-возрастающая, линейно-убывающая, пропорциональная корню квадратному перепада давления);

­ калибровка датчика;

­ непрерывная самодиагностика;

­ тестирование и управление параметрами датчика на расстоянии;

­ защита настроек от несанкционированного доступа .

2.4.8 Вибропреобразователь DVA-1-2-1

DVA-1-2-1 предназначен для измерения среднеквадратичного значения (СКЗ) виброскорости. Тип выходного интерфейса: 4-20 мА;

Вибропреобразователи имеют взрывозащищенное исполнение с видом взрывозащиты "искробезопасная цепь" и маркировкой по взрывозащищенности 1ExibIICT5 по ГОСТ 51330.10.

Срок службы - 8 лет .

2.4.9 Сигнализатор довзрывоопасных концентраций газов СТМ-10

Стационарные сигнализаторы СТМ-10 предназначены для автоматического непрерывного контроля довзрывоопасных концентраций многокомпонентных воздушных смесей горючих газов и паров.

Диапазон измерения: 0-50 % НКПР.

Диапазон сигнальных концентраций: 5-50% НКПР.

Стандартная установка порогов: 1-й - 7 % НКПР, 2-й - 12 % НКПР.

Время срабатывания сигнализации: не более 10 с.

Время прогрева: не более 5 мин.

Температура окружающей среды: -60…+50 °С.

Питание: 220 В (50 ± 1 Гц).

Срок службы: не менее 10 лет.

Сигнализаторы имеют световую сигнализацию на лицевой панели по каждому каналу при достижении пороговых концентраций горючих газов или неисправности датчика .

2.4.10 Анализатор влажности 3050 OLV

Анализатор 3050 OLV определяет влажность в потоке газа, измеряя частоту колебаний кварцевого кристалла.

Когда кристалл обдувается анализируемым влажным газом, вода адсорбируется специальным покрытием кристалла, вызывая уменьшение частоты его колебаний. Затем кристалл обдувается сравнительным газом, в качестве которого используется осушенный анализируемый газ. При этом адсорбированная вода удаляется с поверхности кристалла, и частота его колебаний вновь увеличивается.

Разность между этими двумя частотами пропорциональна содержанию воды в газе.

Периодичность переключения потоков анализируемого и сравнительного газов, в зависимости от приложения, программируется пользователем.

Диапазон: 0,1...2500 ppmv (калиброванный), до 9999 ppmv.

Единицы измерения: ppmv, ?C точки росы, мг/м3;

Погрешность: +10% от показания в диапазоне 0,1...2500 ppmv;

Чувствительность: +0,1 ppmv или 1% от показания;

Время отклика: не более 1 мин для 90% при изменении влажности от 1000 до 10 ppmv;

Аналоговый выход: 4...20 мА.

Релейные выходы: 3 реле, для сигнализации об ошибке системы и о превышении установленных концентраций;

Интерфейсы: RS-232, RS-485;

Параметры окружающей среды: Анализатор: 5...50 °С (-20...+50 °С в шкафу) .

2.4.11 ИК точечный детектор углеводородных газов IRFMD

Предназначен для измерения концентраций углеводородных газов в воздухе.

Технические характеристики и выгода:

­ аналоговый сигнал 4-20мА;

­ индикация уровня загазованности на 4-х цифровом дисплее;

­ нет необходимости производить текущую калибровку;

­ канал передачи данных RS-485 посредством протокола Modbus RTU$

­ оптическая система с подогревом для удаления конденсации;

­ индикация загрязнения оптической системы;

­ защищенность от типичных ядовитых веществ;

­ работает в среде с недостаточным содержанием кислорода;

­ степень защиты IP66;

­ рабочая температура от -45 до +75 С.

2.4.12 Кабельная продукция

Прокладка кабелей на объекте осуществляется по кабельным эстакадам, и выполнено в соответствии с ПУЭ («Правила устройства электроустановок»). Эстакады представляют собой специальные сооружения для укладки кабелей, предохранения их от механических повреждений и непогоды. Контрольные кабели должны быть изолированы несгораемыми перегородками. В соответствии с ПУЭ минимальное расстояние между искробезопасными, слаботочными и силовыми кабелями должно быть не менее 50 см.

В данном проекте используется несколько типов кабелей: КВВГ - для прокладки от исполнительных механизмов до операторной, КВВГэ - для прокладки от первичных датчиков до операторной, НВ-1.0 - для внутреннего расключения шкафного устройства, FTP - для связи контроллера с компьютером, минимальной расстояние при совместной прокладке с электрическими цепями должно составлять не менее 50 см .

3. Анализ и выбор средств разработки программного обеспечения

3.1 Обоснование выбора контроллера

Промышленные контроллеры - мозг современных систем промышленной автоматизации. Они ближе всего расположены к технологическому процессу. Их отказ практически приводит сразу к отказу всей системы промышленной автоматизации. С промышленными контроллерами приходится сталкиваться практически всем специалистам, которые работают в области АСУ ТП.

Динамичный рост российской экономики создает предпосылки для увеличения спроса на современные АСУ ТП. По результатам исследований, ежегодный рост рынка средств промышленной автоматизации в России составляет не менее 25%. Для сравнения: западный рынок промышленных контроллеров имеет ежегодные темпы роста не более 4,6%. Существует огромное количество предприятий, активно работающих в области промышленных контроллеров. Одни из самых крупных поставщиков средств контроля и управления технологическими процессами мирового рынка следующие: канадская компания «Control Microsystems», группа компаний «Tekon» - ведущий российский поставщик средств и систем АСУ ТП, компания «ЭлеСи», Индустриальные компьютерные системы, Emerson Process Management, Rockwell Automation, Metso Aytomation, Yokogawa Electric, Opto 22, Octagon, Siemens, Modicon, Remicont-130 и другие. Изделия этих производителей становятся все менее дорогими, все более тщательно испытанными и более широко распространенными. Ниже приведен краткий обзор контроллеров некоторых фирм-производителей.

Компания «Индустриальные компьютерные системы» выпустила третье поколение моноблочных контроллеров семейства FX3U, обладающее уникальным для данного класса PLC быстродействием, значительным размером памяти, высокой гибкостью конфигурирования, развитыми средствами коммуникации. Эти контроллеры сочетают в едином конструктиве: источник питания, центральный процессор, память, встроенные каналы дискретного ввода/вывода, порт программирования RS-422. Количество встроенных каналов дискретного ввода/вывода составляет от 16 до 128. При необходимости увеличения количества каналов предусмотрена возможность подключения к внутренней высокоскоростной шине контроллера дополнительных модулей ввода/вывода. Одной из важнейших конструктивных особенностей PLC FX3U является наличие второй шины расширения, расположенной с левой стороны контроллера и предназначенный для подключения дополнительных модулей-адаптеров.

Все контроллеры данной серии имеют встроенную энергонезависимую память программы объемом 256 Кбайт. Это позволяет реализовать сложные алгоритмы управления и сохранять большой объем информации в регистрах данных.

Преимущества новой серии FX3U программируемых логических контроллеров производства Mitsubishi Electric: привлекательная стоимость, высокая надежность, высокое быстродействие в своем классе, гибкость конфигурирования, подключение до 384 каналов ввода/вывода, подключение до 128 каналов аналогового ввода/вывода, развитые средства коммуникации.

Коммуникационный контроллер ЭЛСИ-КОМ, разработанный специалистами томского НИИ Электронных систем, призван решить задачу сбора информации от различных подсистем и маршрутизации информации между подсистемами. ЭЛСИ-КОМ - специализированное устройство, предназначенное для организации информационного обмена между оборудованием систем автоматики и телемеханики, использующих различные интерфейсы. Контроллер позволяет с минимальными затратами реализовать информационный обмен между несколькими каналами с отличающимися интерфейсами связи, объединить в единую систему оборудование различных производителей или типов, а также осуществить преобразование одних протоколов в другие. ЭЛСИ-КОМ предоставляет пользователю возможность работы с наиболее распространенными технологическими протоколами и интерфейсами. Контроллер предназначен для непрерывной необслуживаемой эксплуатации на технологических объектах.

Контроллер SCADAPack, разработанный канадской компанией Control Microsystems, объединяет в себе высокопроизводительный 32-битный процессор, 16 Мбайт flash-памяти, 4 Мбайта СMOS-памяти, аналоговые и цифровые входы/выходы, широкие коммуникационные возможности локальных сетей и USB, а также расширенные возможности энергосбережения. ПЛК SCADAPack может программироваться как локально, так и удаленно с помощью языков релейной логики. Для высокоскоростного взаимодействия с другим оборудованием в контроле используется Ethernet-адаптер, поддерживающий протоколы ModBus/TCP, ModBus RTU/ASCII в UDP, DNP в TCP. Возможна поставка контроллера с интегрированным модулем беспроводной связи, работающим на частоте 900 МГц или 2,4 ГГц .

В ОАО «ЗЭиМ» были разработаны контроллер с функционально децентрализованной архитектурой - КРОСС-500 и контроллер с функционально и географически децентрализованной архитектурой - ТРАССА, предназначенные для автоматизации на однородной аппаратуре объектов различных классов - простых и сложных, сосредоточенных и распределенных. Отличительной особенностью этих контроллеров является наличие в их составе модулей, которые автономно и независимо от центрального процессора выполняют не только функции ввода/вывода, но и различные управляющие функции, запрограммированные пользователем. Это существенно повышает надежность, живучесть контроллера и динамику выполнения отдельных функций, а также снижает стоимость систем.

Контроллер ThinkIO, разработанный фирмой Контрон, является новой, в максимальной степени гибкой и настраиваемой системой управления. Малые размеры контроллера (толщина не более 70 мм) обеспечивают его установку в малогабаритных промышленных коммутационных шкафах. Новая система состоит из монтируемого на DIN-рельсе компьютера ThinkIO и модульной системы ввода/вывода компании Wago. Контроллер ThinkIO оснащен процессором, совместимым с IntelR PentiumR MMX с частотой 266 МГц, сторожевым таймером, стандартными коммуникационными интерфейсами: для USB, два Fast Ethernet, RS-232 и промышленные шины (Profibus, CAN и DeviceNet), цифровым графическим DVI - интерфейсом, а также разъемами для непосредственного подключения к системе ввода/вывода Wago. Возможность конфигурирования и управления контроллером через Интернет и локальную сеть обеспечивается интегрированной программной средой SOPH.I.A.

Серия мощных программируемых контроллеров Quantum фирмы Modicon является превосходной платформой для решения всех задач автоматизации. Благодаря модульной архитектуре контроллера Quantum, масштабируемой от одиночного контроллера до глобальной системы автоматизации, он может решать наиболее ответственные задачи в масштабе целого предприятия. Контроллеры Quantum программно, а также на сетевом уровне совместимы с младшими сериями контроллеров - Compact и Momentum, что позволяет строить еще более гибкие и эффективные архитектуры управления. Quantum прост при конфигурации и в эксплуатации, предоставляет широкий выбор архитектур и модулей, имеет тысячи инсталляций по всем миру и проверен в решении сотен различных задач.

Семейство программируемых контроллеров SIMATIC S7-200 фирмы Siemens предназначены для построения относительно простых и дешевых систем автоматического управления. Они обладают высокой производительностью: высокая скорость выполнения инструкций и, как следствие, малое время цикла выполнения программы. Наличие скоростных счетчиков внешних событий, расширяющих возможные области применения контроллеров. Скоростная обработка запросов на прерывание. Контроллеры SIMATIC S7-200 обладают высокой универсальностью: возможность расширения системы управление за счет подключения дополнительных модулей ввода-вывода. Мощная система команд для быстрой и удобной обработки информации в любых практических применениях. Множество дополнительных характеристик: PPI интерфейс, поддерживающий программирование, выполнение процедур обслуживания человеко-машинного интерфейса, последовательного обмена данными с различной аппаратурой. Дружественные пакеты программирования STEP 7 Micro/Win и STEP 7 Micro/DOS. Трехуровневая парольная защита программ пользователя. Текстовый дисплей TD200 и широкий спектр панелей оператора, позволяющих создавать удобный человеко-машинный интерфейс. Программируемые контроллеры SIMATIC S7-200 расширены новыми типами центральных процессоров: CPU 210, CPU 221, CPU 222 и CPU 224. Новые центральные процессоры CPU 22x по сравнению со своими аналогами имеют меньшие габариты, оснащены большими объемами памяти, имеют более высокое быстродействие, могут программироваться на языке FBD.

Одним из мировых лидеров в области разработки и производства высоконадежных промышленных контроллеров от микроконтроллеров MicroLogix до мощных контроллеров PLC является фирма Allen-Bradley. Одними из самых распространенных являются контроллеры SLC-500 (Small Logical Controller), имеющие широкий диапазон применения - от малых автономных до больших распределенных систем управления. SLC являются хорошим примером современного программируемого логического контроллера. В данном дипломном проекте применен микропроцессорный контроллер фирмы Allen-Bradley SLC-500.

Контроллеры SLC-500 могут иметь фиксированную и модульную конструкцию. Модульный контроллер представляет собой шасси, блок питания, модуль процессора и набор модулей ввода/вывода для объекта, определяемый количеством входных и выходных сигналов. В состав модульных программируемых контроллеров серии SLC входят 12 модификаций процессоров, более 80 типов модулей ввода/ вывода, специальные модули, 4 типоразмера шасси для установки модулей (4, 7, 10, 13 мест). Каждый модуль центрального процессора может поддерживать до 30 модулей ввода/вывода в системе и до 3 шасси.

3.2 Основные технические данные контроллера SLC 5/04

В разработанной системе автоматизации был использован модульный контроллер американской фирмы Allen Bradley SLC 5/04, так как его функции удовлетворяют требованиям разрабатываемой системы . В таблице 3.1 приведены краткие характеристики контроллера SLC 5/04.

Таблица 3.1 - Краткие характеристики SLC 5/04

Память программ
Дополнительная память	До 4К слов
Емкость В/В
Макс. Шасси/слот В/В
Дополнительные резервные ЗУ
Программирование	APS, RSLogix 500 A.I.
Набор инструкций
Время выполнения битовой инструкций
Типовое время сканирования	0,9 мСек / К

В разработанной системе автоматизации присутствуют следующие сигналы:

­ дискретные входы - 158;

­ дискретные выходы - 67;

­ аналоговые входы - 51.

Таблица КИПиА представлена в приложении В.

3.3 Конфигурация контроллера

В своем составе контроллер имеет:

­ CPU - 1747-L541 5/04;

­ шасси на 13 слотов - 2 шт.;

­ источник питания 1746-P4 - 2 шт.;

­ модуль дискретного ввода (24В) 1746-IB32 - 3 шт.;

­ модуль дискретного ввода (220В) 1746-IM16 - 5 шт.;

­ модуль дискретного вывода (24В) 1746-OB32 - 1 шт.;

­ модуль дискретного вывода (220В) 1746-OW16 - 4 шт.;

­ модуль аналогового ввода 1746-NI16I - 3 шт.

­ модуль аналогового ввода 1746-NR4 - 3 шт.

Таблица RTU представлена в Приложении Г.

Карта памяти представлена в Приложении Д.

3.4 Программирование контроллера

Программа управляющая системой автоматизации содержит следующие блоки:

­ основная программа;

­ подпрограмма инициализации аналоговых модулей;

­ подпрограмма копирования данных с дискретных датчиков в память контроллера;

­ подпрограмма обработки аналоговых и дискретных сигналов;

­ подпрограмма обработки ПИД инструкции.

В подпрограмме инициализации аналоговых модулей (вызывается только при первом запуске контроллера или при его перезагрузке) происходит запись конфигурационного слова .

Конфигурирование слова - инициализации аналоговых модулей 1746 - NI16I class3 представлено в таблице 3.2.

Таблица 3.2 - Слово инициализации для модуля 1746 - NI16I class3

Биты 15, 14, 13 - биты состояния ошибок. Если в бите 13 записан 0, то пришло значение больше 20мА, если в бите 14 - 0, то пришло значение меньше 4мА, если в последних трех битах 1, то нет ошибок.

Программирование контроллера осуществляется с помощью языка релейно-лестничной логики Ladder Logic. Этот язык программирования представляет собой лестницу, каждая ступенька которой начинается с одного или нескольких условий, а завершается действием. Причем это действие выполнится только тогда, когда будут верны условия предшествующие ему. Каждая ступенька называется «рангом». Алгоритм работы программы представлен в Приложении Е, а листинг программы в Приложении Ж.

3.5 Выбор протокола обмена информацией между контроллером и верхним уровнем АСУ ТП

Система сбора информации и контроля предназначена для сбора данных о состоянии технологических параметров, управления установками, вспомогательными системами, насосными агрегатами, снабжать обслуживающий персонал достоверной информацией.

Структура SCADA системы имеет два уровня: нижний уровень - сигналы от датчиков и верхний - автоматизированное рабочее место оператора.

Контроллер постоянно считывает информацию с датчиков, при изменении технологических параметров или превышения ими заданных уставок выдает сообщение в операторную, управляет работой насосов, задвижек, регуляторов и т.д.

Информация с датчика поступает в модуль, после чего контроллер преобразует это значение, сравнивает с уставками и посредством тэга значение отображается в мониторе оператора.

Для связи с контроллером используется сетевой адаптер 1748-KTX, предназначенный для работы с сетью DH-485 по протоколу DF1. Максимальная длина сети 4000 футов, максимальная скорость передачи данных 19,2 Кб/с .

3.6 Операторский интерфейс

В качестве программного обеспечения для реализации верхнего уровня используем RSView32, принадлежащий фирме Rockwell Software (США)

При входе и выходе из программы наблюдения происходит запрос имени пользователя и личного пароля. Для организации связи с верхним уровнем была разработана таблица тегов, представленная в Приложении И. Операторский интерфейс состоит из 11 графических экранов включая тренды и сигнализацию, иерархия экранов представлены в Приложение К.

Операторы и диспетчеры получают необходимую информацию о ходе контролируемого процесса, а так же информацию о состоянии оборудования по представлению ее на экранах MMI, представленные в Приложении Л. Для более легкого восприятия информации при создании интерфейса использовались: графики(тренды), таблицы(сигнализация), анимация и т.д.

Отображение технологических параметров процесса: температура, давление, уровень, обводненность и т.д. должно производится с определенной точностью. Минимальное значение величины, которую может измерить прибор, можно определить по формуле:

(3.1)

В качестве примера определим с какой точностью необходимо отображать давление перед задвижкой 1э.

Подобные документы

Технологический процесс цеха подготовки и перекачки нефти, структура и функции системы автоматического управления процессом. Назначение и выбор микропроцессорного контроллера. Расчет системы автоматического регулирования уровня нефти в сепараторе.

курсовая работа , добавлен 05.12.2012


Описание технологического процесса перекачки нефти. Общая характеристика магистрального нефтепровода, режимы работы перекачивающих станций. Разработка проекта автоматизации насосной станции, расчет надежности системы, ее безопасность и экологичность.

дипломная работа , добавлен 29.09.2013


Основные приемы и технологический процесс производства деревянных панелей. Выбор аппаратных средств автоматизации системы управления линии обработки. Структурная схема системы управления технологическим процессом. Разработка системы визуализации.

дипломная работа , добавлен 17.06.2013


Проектирование автоматической системы управления технологическим процессом производства картона: анализ возмущающих воздействий, выбор комплекса технических средств, разработка программного обеспечения. Создание системы защиты "Обрыв картонного полотна".

дипломная работа , добавлен 18.02.2012


Понятие автоматизации, ее основные цели и задачи, преимущества и недостатки. Основа автоматизации технологических процессов. Составные части автоматизированной системы управления технологическим процессом. Виды автоматизированной системы управления.

реферат , добавлен 06.06.2011


Предпосылки появления системы автоматизации технологических процессов. Назначение и функции системы. Иерархическая структура автоматизации, обмен информацией между уровнями. Программируемые логические контролеры. Классификация программного обеспечения.

учебное пособие , добавлен 13.06.2012


Обоснование необходимости разработки автоматизированной системы управления (АСУ) ТП У-07,08. Разработка структурной схемы АСУ. Описание функционирования системы. Модульные базовые платы. Расчет показателей надежности. Разработка программного обеспечения.

дипломная работа , добавлен 31.12.2015


Обоснование необходимости автоматизации РТК штамповки. Разработка системы логико-программного управления. Основные параметры гидрораспределителя. Определение составов входных и выходных сигналов. Разработка программы управления контроллера Овен.

курсовая работа , добавлен 22.05.2016


Назначение и технологическая схема установки предварительного сброса воды (УПСВ). Функции и структура автоматизированной системы управления УПСВ, разработка ее уровней и выбор оборудования. Расчет надежности и технико-экономической эффективности системы.

дипломная работа , добавлен 29.09.2013


Основные технические средства автоматизации. Типы программных блоков и блоков данных контроллера. Методика диагностирования оборудования. Основные системы управления технологическим процессом. Предупреждения о неисправностях в работе крана №80.

Современная технология производства предъявляет высокие требования к автоматизации технологических процессов, к выбору оптимальных средств комплексной автоматизации. Производство и поставка средств комплексной промышленной автоматизации технологических процессов, автоматизированных систем управления и оптимизации производственных процессов, АСУ ТП различной сложности являются одним из важнейших направлений работы нашей компании. Мы предлагаем широкий выбор средств для комплексной автоматизации, оптимизации производственных процессов.

Автоматизированная система управления и контроля предназначена для управления технологическим процессом (АСУ ТП), оптимизации технологических процессов, автоматизации технологических процессов, поддержания оптимального режима работы технологических аппаратов и учета промежуточных данных, формирования и выдачи отчетной и архивной документации, диагностики измерительного оборудования во всех отраслях промышленности таких как строительная, пищевая, химическая, нефтеперерабатывающая и др. Станции автоматического управления (САУ) представляют собой многофункциональные электротехнические шкафы и щиты автоматики, основной целью которых является автоматизация технологических процессов.

Благодаря высококачественным и высоконадёжным компонентам систем автоматизации, поставляемых такими производителями как Schneider Electric и Siemens, автоматизированные системы управления отвечают основным целям оптимизации производственных процессов и обладают наиболее экономически выгодным для конечного пользователя соотношением цена/качество. Экономическими аргументами в пользу комплексной интегрированной автоматизации АСУ ТП являются сокращение расходов на аппаратную часть, например, благодаря использованию стандартных компонентов и модульной конструкции, а также более низким расходам за время жизненного цикла системы и экономии на запасных частях.

Комплексные системы автоматизации:

Высокую информативность, помогающую оценить техпроцесс, выбрать критерии и определить их относительную важность;
иметь возможность анализа технологической обстановки, нарушений ведения технологического процесса, позволяющую вести технологическую наладку производства;
возможность поиска оптимального режима ведения технологического процесса;
высокую точность по измерению технологических параметров и их регулированию;
возможность автоматической дозировки компонентов;
возможность качественного поддерживания технологического режима по заданному алгоритму;
возможность расширения системы управления;
возможность создания на базе АСУ ТП автоматизированных рабочих мест (АРМ) обслуживающего персонала.

АСУ ТП полностью решают все эти задачи, направленные на оптимизацию технологических процессов. В комплекс услуг по пуско-наладке комплексных систем автоматизации входят обучение по внедрению и применению средств промышленной автоматизации на производстве, профилактический осмотр, сервисное обслуживание станций автоматического управления и т.д.

Программное обеспечение программно-технического комплекса предназначено для реализации автоматизированного управления технологическим оборудованием и диспетчеризации параметров технологического процесса станции автоматического управления (АСУ ТП).

Основные функции системы автоматизации:

Автоматическая диспетчеризация параметров технологического оборудования (уровней, давлений, уровней раздела фаз, температур и расходов по технологическим аппаратам);
сравнение измеренных значений технологических параметров с заданными значениями и формирование сигналов управления, а также предупредительной и аварийной сигнализации;
отображение хода технологического процесса в виде мнемосхем, трендов (графиков изменения параметров во времени), индикаторов; хронометрирования основных технологических параметров, формирование протокола событий и архивных данных;
оперативное автоматическое и ручное управление электрозадвижками и регулирующими клапанами с пульта автоматизированного рабочего места (АРМ) оператортехнолога;
оперативное автоматическое и ручное управление электрозадвижками и регулирующими клапанами с пульта автоматизированного рабочего места (АРМ) оператор-технолога;
имитация объекта управления, различных аварий и отказов, для независимой отладки и обучения обслуживающего персонала.

Структура и функции

Разработка территориально-распределенных автоматизированных систем сбора, обработки данных и управления технологическим процессом требует применения специальных решений построения сетей передачи данных. АСУ ТП строится по иерархическому принципу и имеет многоуровневую структуру.

В АСУ ТП выделяется четыре уровня иерархии:

Нижний уровень - уровень датчиков и исполнительных механизмов;
- средний уровень - уровень промышленных контроллеров (ПЛК);
- верхний уровень - уровень промышленного сервера и сетевого оборудования;
- оперативный уровень - уровень операторских и диспетчерских станций.

Нижний уровень состоит из датчиков и исполнительных механизмов, устанавливаемых на технологических объектах. Их конструкция и исполнение позволяют им устойчиво и безопасно функционировать при самых неблагоприятных погодных условиях, а также во взрывоопасных зонах. Связь датчиков и исполнительных механизмов со средним уровнем осуществляется с помощью соответствующих кабелей.

Средний уровень состоит из промышленных контроллеров, силовой, сигнализационной автоматики и необходимых вторичных приборов. Должны быть расположены на территории таким образом, чтобы минимизировать затраты на прокладку кабелей и снизить влияние помех. Ядром программно-технических средств контроля и управления системы являются промышленные контроллеры.

Промышленные контроллеры осуществляют:

Сбор и обработку данных, поступающих с датчиков;
Управление технологическими объектами по заданным алгоритмам работы.

Отличительными особенностями в выбранных моделях контроллеров являются:

Широкая номенклатура модулей, позволяющая разрабатывать многофункциональные системы контроля и управления;
наличие интеллектуальных модулей ввода/вывода, в том числе модулей, регуляторов автономного функционирования;
дублирование модулей центрального процессора и блока питания;
возможность «горячей» замены модулей;
наличие выходных цепей, имеющих вид взрывозащиты «Искробезопасная электрическая цепь».

Передача информации от контроллеров на следующий уровень и прием команд управления осуществляется с использованием стандартных интерфейсов RS485. Связь любого промышленного контроллера с сервером осуществляется одновременно по двум независимым каналам связи.

Дублирование каналов связи «сервер-промышленный контроллер» необходимо для повышения надежности системы в целом.

Верхний уровень системы - это уровень промышленного сервера и сетевого оборудования.

Сетевое оборудование состоит из концентраторов, коммутаторов и преобразователей.

Промышленный сервер представляет собой высоконадежную отказоустойчивую вычислительную систему и обеспечивает накопление в реальном масштабе времени и надежное длительное хранение больших объемов технологической информации, а также доступ к ней с большого числа автоматизированных рабочих мест оперативного уровня. Сетевое и телекоммуникационное оборудование, сетевые каналы, телефонные и оптоволоконные линии связи образуют высокоскоростную территориально-распределенную вычислительную сеть промышленного назначения. Отказоустойчивость сети обеспечивается резервированием сетевых каналов, линий связи и коммуникационного оборудования.

Оперативный уровень состоит из автоматизированных рабочих мест операторов и диспетчеров, а также сетевого принтера, установленных в различных помещениях и зданиях. Объединенные в локальную сеть АРМы образуют единый информационно-вычислительный комплекс (ИВК). ИВК реализует отображение в графическом виде технологической информации, обеспечивает выдачу аварийных сигналов и взаимодействие операторов с АСУ ТП, организует связь с другими системами управления. На этом уровне создаются как полностью дублирующие (равноправные по получаемым данным и по функциям управления) друг друга рабочие места, так и технологически ориентированные рабочие места, адекватно учитывающие специфику работы персонала и технологии участка производства.

Автоматизация систем управления

Техника и наука постоянно развиваются, что делает возможным существенно упростить и ускорить многие привычные процессы. В настоящее время повсеместно внедряются автоматизированные технологии. Они используются во всех сферах промышленности и производства, позволяют упростить технологический процесс и работу предприятия в целом.

Автоматизация систем управления для оптимизация работы

Автоматизация систем управления подразумевает собой комплекс программных и аппаратных мероприятий и средств, позволяющих сократить количество персонала и улучшить работу систем. Особенно активно такие технологии сейчас внедряются в сферу электроэнергетики и транспорта.

Автоматизированная система не является автоматической, то есть для ее реализации и нормальной работы требуется человеческое участие. Обычно человек-оператор выполняет основные функции управления, которые не поддаются влиянию машин.

Первые автоматизированные системы появились еще в 60-е годы прошлого века, но только теперь началось их активное внедрение.

Главным предназначением АСУ является повышение производительности объекта, рост эффективности его управления, а также совершенствование методов планирования процессов управления.

Создание и разновидности автоматизированных систем управления

Создание АСУ – сложная и многоструктурная задача, требующая хорошей материальной базы и наличия денежных средств.

Создание АСУ ведется в несколько этапов:

Разработка технического решения.
Проектирование непосредственно самой системы.
Разработка программных средств для управления системой.
Создание программно-аппаратных комплексов.
Установка необходимого оборудования.
Пуско-наладочные работы.
Обучение специалистов работе с новой системой.

Все автоматизированные системы управления производством делятся на несколько основных типов: системы управления производством и системы управления технологическими процессами. Первый тип АСУ осуществляет все операции для нормального функционирования и проведения производства на всех его этапах.

В составе автоматизированной системы находится программное, информационное, техническое, метрологическое, организационное и правовое обеспечение.

Второй тип АСУ подразумевает управление и контроль над отдельной частью производственного процесса, в частности, над технологической частью. Эта система может корректировать процесс на всех этапах и обеспечивать лучший результат его выполнения.

Сферы применения автоматизированных систем

АСУ активно применяются в самых разных сферах жизни и современной промышленности. В частности, они используются в системах освещения, дорожного движения, в системах информации и во всех сферах промышленного хозяйства.

Основной целью применения и использования АСУ выступает повышение эффективности и использования возможностей каждого объекта. Такие системы позволяют быстро и эффективно проводить анализ работы объекта, на основе полученных данных специалисты могут принять определенные решения и наладить производственный процесс.

Кроме того, такие автоматизированные системы существенно ускоряют выполнение сбора и обработки данных, собранных с объекта, что позволяет снизить количество решений, принимаемых человеком.

Использование АСУ повышает уровень дисциплины и уровень контроля, так как теперь осуществлять контроль над проведением работ значительно проще и удобнее.

Автоматизированные системы повышают скорость управления, снижают затраты на выполнение многих вспомогательных операций. Самым важным последствием использования АСУ является увеличение производительности, снижение затрат и потерь в процессе производства.

Внедрение таких технологий оказывает положительное влияние на состояние отечественной промышленности и экономики, а также существенно упрощает жизнь персонала.

Однако технологии требуют финансовых вложений, причем на первых этапах деньги довольно большие, ведь наличие АСУ подразумевает смену оборудования и машин. С течением времени внедрение таких технологий окупается, а их наличие дает развитие отечественному производству.

Системы автоматизации процессов

Типы систем автоматизации включают в себя:

Неизменяемые системы. Это системы, в которых последовательность действий определяется конфигурацией оборудования или условиями процесса и не может быть изменена в ходе процесса;
программируемые системы. Это системы, в которых последовательность действий может изменяться в зависимости от заданной программы и конфигурации процесса. Выбор необходимой последовательности действий осуществляется за счет набора инструкций, которые могут быть прочитаны и интерпретированы системой;
гибкие (самонастраиваемые) системы. Это системы, которые способны осуществлять выбор необходимых действий в процессе работы. Изменение конфигурации процесса (последовательности и условий выполнения операций) осуществляется на основании информации о ходе процесса.

Эти типы систем могут применяться на всех уровнях автоматизации процессов по отдельности или в составе комбинированной системы.

Виды автоматизируемых процессов

В каждой отрасли экономики существуют предприятия и организации, которые производят продукцию или предоставляют услуги. Все эти предприятия можно разделить на три группы, в зависимости от их «удаленности» в цепочке переработки природных ресурсов.

Первая группа предприятий, это предприятия, добывающие или производящие природные ресурсы. К таким предприятиям относятся, например, сельскохозяйственные производители, нефтегазодобывающие предприятия.

Вторая группа предприятий, это предприятия, выполняющие переработку природного сырья. Они изготавливают продукцию из сырья, добытого или произведенного предприятиями первой группы. К таким предприятиям относятся, например, предприятия автомобильной промышленности, сталелитейные предприятия, предприятия электронной промышленности, электростанции и т.п.

Третья группа, это предприятия сферы услуг. К таким организациям относятся, например, банки, образовательные учреждения, медицинские учреждения, рестораны и пр.

Для всех предприятий можно выделить общие группы процессов, связанные с производством продукции или предоставлением услуг.

К таким процессам относятся:

Бизнес процессы;
процессы проектирования и разработки;
процессы производства;
процессы контроля и анализа.

Бизнес процессы – это процессы, обеспечивающие взаимодействие внутри организации и с внешними заинтересованными сторонами (потребителями, поставщиками, надзорными органами и пр.). К этой категории процессов можно отнести процессы маркетинга и продаж, взаимодействия с потребителями, процессы финансового, кадрового, материального планирования и учета и пр.

Процессы проектирования и разработки – это все процессы, связанные с разработкой продукции или услуги. К таким процессам относятся процессы планирования разработки, сбора и подготовки исходных данных, выполнение проекта, контроль и анализ результатов проектирования и пр.

Процессы производства – это процессы, необходимые для производства продукции или предоставления услуг. К этой группе относятся все производственные и технологические процессы. Они также включают в себя процессы планирования потребности и планирования мощностей, логистические процессы и процессы обслуживания.

Процессы контроля и анализа – эта группа процессов связана со сбором и обработкой информации о выполнении процессов. К таким процессам относятся процессы контроля качества, операционного управления, процессы контроля запасов и пр.

Большинство процессов, относящихся к этим группам, может быть автоматизирована. На сегодняшний день, существуют классы систем, которые обеспечивают автоматизацию этих процессов.

Стратегия автоматизации процессов

Автоматизация процессов представляет собой сложную и трудоемкую задачу. Для успешного решения этой задачи необходимо придерживаться определенной стратегии автоматизации. Она позволяет улучшить процессы и получить от автоматизации ряд существенных преимуществ.

Кратко, стратегию можно сформулировать следующим образом:

Понимание процесса. Для того чтобы автоматизировать процесс необходимо понимать существующий процесс со всеми его деталями. Процесс должен быть полностью проанализирован. Должны быть определены входы и выходы процесса, последовательность действий, взаимосвязь с другими процессами, состав ресурсов процесса и пр.
упрощение процесса. После проведения анализа процесса необходимо упростить процесс. Лишние операции, не приносящие ценности, должны быть сокращены. Отдельные операции могут объединяться или выполняться параллельно. Для улучшения процесса могут быть предложены другие технологии его исполнения.
автоматизация процесса. Автоматизация процессов может выполняться только после того, как процесс максимально упростился. Чем проще порядок действий процесса, тем проще его автоматизировать и тем эффективнее будет работать автоматизированный процесс.

Средства автоматизации систем

Средства автоматизации производства включают в себя технические средства автоматизации (ТСА) - это устройства и приборы, которые могут как сами являться средствами автоматизации, так и входить в состав программно-аппаратного комплекса. Системы обеспечения безопасности на современном предприятии включают в свой состав технические средства автоматизации. Наиболее часто ТСА – это базовый элемент системы комплексной безопасности.

Технические средства автоматизации включают в себя приборы для фиксирования, переработки и передачи информации на автоматизированном производстве. С помощью них осуществляется контроль, регулирование и управление автоматизированными линиями производства.

Системы обеспечения безопасности осуществляют контроль над производственным процессом с помощью разнообразных датчиков. В них входят датчики давления, фотодатчики, индуктивные датчики, датчики емкостные, лазерные и т.д.

Датчики служат для автоматического извлечения информации, и первичного ее преобразования. Датчики различаются по принципам действия и по чувствительности к параметрам, которые они контролируют. Технические средства безопасности включают в себя самый широкий спектр сенсоров. Именно комплексное использование датчиков позволяет создавать системы комплексной безопасности, которые контролируют множество факторов.

Технические средства информации включают в себя и передающие устройства, которые обеспечивают связь датчиков с контрольным оборудованием. При получении сигнала от датчиков контрольное оборудование приостанавливает процесс производства и ликвидирует причину аварии. В случае невозможности устранения аварийной ситуации технические средства безопасности дают сигнал о неисправности оператору.

Наиболее распространенными датчиками, которые включают в состав любой системы комплексной безопасности, являются датчики емкостные.

Они позволяют бесконтактно определить присутствие объектов на расстоянии до 25 мм. Датчики емкостные действуют по следующему принципу. Датчики снабжены двумя электродами, между которыми фиксируется проводимость. Если в зоне контроля присутствует какой-либо объект, это вызывает изменение амплитуды колебаний генератора, входящего в состав сенсора. При этом датчики емкостные срабатывают, что предотвращает попадание в оборудование нежелательных предметов.

Датчики емкостные отличаются простотой устройства и высокой надежностью, что позволяет использовать их в самых разных сферах производства. Единственным недостатком является малая зона контроля таких датчиков.

Средства автоматизации – это технические средства, предназначенные для оказания помощи должностным лицам органов управления в решении информационных и расчетных задач. Применение средств автоматизации повышает оперативность управления, снижает трудозатраты должностных лиц органов управления, повышает обоснованность принимаемых решений.

К средствам автоматизации относятся следующие группы средств:

Электронно-вычислительные машины (ЭВМ);
устройства сопряжения и обмена (УСО);
устройства сбора и ввода информации;
устройства отображения информации;
устройства документирования и регистрации информации;
автоматизированные рабочие места;
средства математического обеспечения;
средства программного обеспечения;
средства информационного обеспечения;
средства лингвистического обеспечения.

Электронно-вычислительные машины классифицируются:

А) по назначению – общего назначения (универсальные), проблемно-ориентированные, специализированные;
б) по размерам и функциональным возможностям - супер-эвм, большие ЭВМ, малые ЭВМ, микро-ЭВМ.

Супер-ЭВМ обеспечивают решение сложных военно-технических задач и задач по обработке больших объемов данных в реальном масштабе времени.

Большие и малые ЭВМ обеспечивают управление сложными объектами и системами. Микро-ЭВМ ориентированы для решения информационных и расчетных задач в интересах конкретных должностных лиц. В настоящее время широкое развитие получил класс микро-ЭВМ, основу которого составляют персональные ЭВМ (ПЭВМ).

В свою очередь персональные ЭВМ разделяются на стационарные и переносные. К стационарным ПЭВМ относят: настольные, портативные, блокноты, карманные. Все составные части настольных ПЭВМ выполнены в виде отдельных блоков. Портативные ПЭВМ типа Lоp Top выполняются в виде небольших чемоданчиков массой 5 – 10 килограммов. ПЭВМ-блокнот типа Note book или Sub Note book имеет размер с небольшую книгу и по характеристикам соответствует настольным ПЭВМ. Карманные ПЭВМ типа Palm Top имеют размеры записной книжки и позволяют записывать и редактировать небольшие объемы информации. К переносным ПЭВМ относятся электронные секретари и электронные записные книжки.

Устройства сопряжения и обмена предназначены для согласования параметров сигналов внутреннего интерфейса ЭВМ с параметрами сигналов, передаваемых по каналам связи. При этом эти устройства выполняют как физическое согласование (форма, амплитуда, длительность сигнала), так и кодовое. К устройствам сопряжения и обмена относятся: адаптеры (сетевые адаптеры), модемы, мультиплексоры. Адаптеры и модемы обеспечивают согласование ЭВМ с каналами связи, а мультиплексоры обеспечивают согласование и коммутацию одной ЭВМ и нескольких каналов связи.

Устройства сбора и ввода информации. Сбор информации с целью ее последующей обработки на ЭВМ осуществляется должностными лицами органов управления и специальными датчиками информации в системах управления оружием. Для ввода информации в ЭВМ применяются следующие устройства: клавиатура, манипуляторы, сканеры, графические планшеты, средства речевого ввода.

Клавиатура – это матрица клавиш, объединенных в единое целое, и электронный блок для преобразования нажатия клавиши в двоичный код.

Манипуляторы (координатно-указательные устройства, устройства управления курсором) совместно с клавиатурой повышают удобство работы пользователя. Повышение удобства работы связано, прежде всего, с возможностью быстро перемещать курсор по экрану дисплея. В настоящее время в ПЭВМ используются следующие разновидности манипуляторов: джойстик (рычаг, установленный на корпусе), световое перо (применяется для формирования изображений на экране), манипулятор типа «мышь», сканер – для ввода в ПЭВМ изображений, графические планшеты – для формирования и ввода в ПЭВМ изображений, средства речевого ввода.

Устройства отображения информации отображают информацию без ее долговременной фиксации. К ним относятся: дисплеи, графические табло, видеомониторы. Дисплеи и видеомониторы служат для отображения информации, вводимой с клавиатуры или других устройств ввода, а также для выдачи пользователю сообщений и результатов выполнения программ. Графические табло осуществляют визуальный вывод текстовой информации в виде бегущей строки.

Устройства документирования и регистрации информации предназначены для вывода информации на бумагу или другой носитель с целью обеспечения длительного времени хранения. К классу этих устройств относятся: печатающие устройства, внешние запоминающие устройства (ВЗУ).

Печатающие устройства или принтеры предназначены для вывода алфавитно-цифровой (текстовой) и графической информации на бумагу или подобный ей носитель. Наиболее широко применяются матричные, струйные и лазерные принтеры.

Современная ПЭВМ содержит, как минимум, два запоминающих устройства: накопитель на гибких магнитных дисках (НГМД) и накопитель на жестких магнитных дисках (НЖМД). Однако в случаях обработки больших объемов информации вышеуказанные накопители не могут обеспечить их запись и хранение. Для записи и хранения больших объемов информации используются дополнительные запоминающие устройства: накопители на магнитных дисках и лентах, накопители на оптических дисках (НОД), накопители на DVD-дисках. Накопители типа НОД обеспечивают высокую плотность записи, повышенную надежность и долговечность хранения информации.

Автоматизированные рабочие места (АРМ) – это рабочие места должностных лиц органов управления, оборудованные средствами связи и автоматизации. Основным средством автоматизации в составе АРМ является ПЭВМ.

Средства математического обеспечения – это совокупность методов, моделей и алгоритмов, необходимых для решения информационных и расчетных задач.

Средства программного обеспечения – это совокупность программ, данных и программных документов, необходимых для обеспечения функционирования самой ЭВМ и решения информационных и расчетных задач.

Средства информационного обеспечения – это совокупность информации, необходимая для решения информационных и расчетных задач. В состав информационного обеспечения входят собственно массивы информации, система классификации и кодирования информации, система унификации документов.

Средства лингвистического обеспечения – совокупность средств и способов представления информации, допускающих ее обработку на ЭВМ. Основу лингвистического обеспечения составляют языки программирования.

Автоматизация технологических систем

Внедрение на предприятия технических средств, позволяющих автоматизировать производственные процессы, является базовым условием эффективной работы. Разнообразие современных методов автоматизации расширяет спектр их применения, при этом затраты на механизацию, как правило, оправдываются конечным результатом в виде увеличения объемов изготавливаемой продукции, а также повышения ее качества.

Организации, которые идут по пути технологического прогресса, занимают лидирующие места на рынке, обеспечивают более качественные трудовые условия и минимизируют потребность в сырье. По этой причине крупные предприятия уже невозможно представить без осуществления проектов по механизации – исключения касаются лишь мелких ремесленнических производств, где автоматизация производства себя не оправдывает ввиду принципиального выбора в пользу ручного изготовления. Но и в таких случаях возможно частичное включение автоматики на некоторых этапах производства.

Основные сведения об автоматизации

В широком смысле автоматизация предполагает создание таких условий на производстве, которые позволят без участия человека выполнять определенные задачи по изготовлению и выпуску продукции. При этом роль оператора может заключаться в решении наиболее ответственных задач. В зависимости от поставленных целей, автоматизация технологических процессов и производств может быть полной, частичной или комплексной. Выбор конкретной модели определяется сложностью технической модернизации предприятия за счет автоматической начинки.

На заводах и фабриках, где реализована полная автоматизация, обычно механизированным и электронным системам управления передается весь функционал по контролю над производством. Такой подход наиболее рационален, если рабочие режимы не предполагают изменений. В частичном виде автоматизация внедряется на отдельных этапах производства или при механизации автономного технического компонента, не требуя создания сложной инфраструктуры управления всем процессом. Комплексный уровень автоматизации производства обычно реализуется на определенных участках – это может быть отдел, цех, линия и т. д. Оператор в данном случае контролирует саму систему, не затрагивая непосредственный рабочий процесс.

Системы автоматизированного управления

Для начала важно отметить, что такие системы предполагают полный контроль над предприятием, фабрикой или заводом. Их функции могут распространяться на конкретную единицу оборудования, конвейер, цех или производственный участок. В данном случае системы автоматизации технологических процессов принимают и обрабатывают информацию от обслуживаемого объекта и на основе этих данных оказывают корректирующее воздействие. Например, если работа выпускающего комплекса не отвечает параметрам технологических нормативов, система по специальным каналам изменит его рабочие режимы согласно требованиям.

Объекты автоматизации и их параметры

Главной задачей при внедрении средств механизации производства является поддержание качественных параметров работы объекта, что в результате отразится и на характеристиках продукции. На сегодняшний день специалисты стараются не углубляться в сущность технических параметров разных объектов, поскольку теоретически внедрение систем управления возможно на любой составной части производства. Если рассматривать в этом плане основы автоматизации технологических процессов, то в перечень объектов механизации войдут те же цеха, конвейеры, всевозможные аппараты и установки. Можно лишь сравнивать степени сложности внедрения автоматики, которая зависит от уровня и масштаба проекта.

Относительно параметров, с которыми ведут работу автоматические системы, можно выделить входные и выходные показатели. В первом случае это физические характеристики продукции, а также свойства самого объекта. Во втором – это непосредственно качественные показатели готового продукта.

Регулирующие технические средства

Приборы, обеспечивающие регулирование, применяются в системах автоматизации в виде специальных сигнализаторов. В зависимости от назначения они могут отслеживать и управлять различными технологическими параметрами. В частности, автоматизация технологических процессов и производств может включать сигнализаторы температурных показателей, давления, характеристик потока и т. д. Технически приборы могут быть реализованы как бесшкальные устройства с электрическими контактными элементами на выходе.

Принцип работы регулирующих сигнализаторов также различен. Если рассматривать наиболее распространенные температурные устройства, то можно выделить манометрические, ртутные, биметаллические и терморезисторные модели. Конструкционное исполнение, как правило, обуславливается принципом действия, но немалое влияние на него оказывают и условия работы. В зависимости от направления работы предприятия, автоматизация технологических процессов и производств может проектироваться с расчетом на специфические условия эксплуатации. По этой причине и регулирующие приборы разрабатываются с ориентировкой на использование в условиях повышенной влажности, физического давления или на действие химических веществ.

Программируемые системы автоматизации

Качество управления и контроля производственных процессов заметно повысилось на фоне активного снабжения предприятий вычислительными устройствами и микропроцессорами. С точки зрения промышленных нужд возможности программируемых технических средств позволяют не только обеспечивать эффективное управление технологическими процессами, но и автоматизировать проектирование, а также проводить производственные испытания и эксперименты.

Устройства ЭВМ, которые применяются на современных предприятиях, в режиме реального времени решают задачи регулирования и управления технологическими процессами. Такие средства автоматизации производства называются вычислительными комплексами и работают на принципе агрегатирования. Системы включают в состав унифицированные функциональные блоки и модули, из которых можно составлять различные конфигурации и приспосабливать комплекс к работе в определенных условиях.

Агрегаты и механизмы в системах автоматизации

Непосредственное исполнение рабочих операций берут на себя электрические, гидравлические и пневматические устройства. По принципу работы классификация предполагает функциональные и порционные механизмы. В пищевой промышленности обычно реализуются подобные технологии. Автоматизация производства в этом случае предполагает внедрение электрических и пневматических механизмов, конструкции которых могут включать электроприводы и регулирующие органы.

Электродвигатели в системах автоматизации

Основу исполнительных механизмов нередко формируют электромоторы. По типу управления они могут быть представлены в бесконтактном и контактном исполнениях. Агрегаты, которые управляются от релейно-контактных приборов, при манипуляциях оператором могут изменять направление движения рабочих органов, но скорость выполнения операций остается неизменной. Если предполагается автоматизация и механизация технологических процессов с применением бесконтактных устройств, то используют полупроводниковые усилители – электрические или магнитные.

Щиты и пульты управления

Для установки оборудования, которое должно обеспечивать управление и контроль производственного процесса на предприятиях, монтируются специальные пульты и щиты. На них размещают приборы для автоматического управления и регулирования, контрольно-измерительную аппаратуру, защитные механизмы, а также различные элементы коммуникационной инфраструктуры. По конструкции такой щит может представлять собой металлический шкаф или плоскую панель, на которой и устанавливаются средства автоматизации.

Пульт, в свою очередь, является центром для дистанционного управления – это своего рода диспетчерская или операторская зона. Важно отметить, что автоматизация технологических процессов и производств должна предусматривать и доступ к обслуживанию со стороны персонала. Именно эта функция во многом и определяется пультами и щитами, позволяющими вести расчеты, оценивать производственные показатели и в целом отслеживать рабочий процесс.

Проектирование систем автоматизации

Основным документом, который выступает руководством для технологической модернизации производства с целью автоматизации, является схема. На ней отображается структура, параметры и характеристики устройств, которые в дальнейшем выступят средствами автоматической механизации.

В стандартном исполнении схема отображает следующие данные:

Уровень (масштаб) автоматизации на конкретном предприятии;
определение параметров работы объекта, которые должны быть обеспечены средствами контроля и регулирования;
характеристики управления – полное, дистанционное, операторское;
возможности блокировки исполнительных механизмов и агрегатов;
конфигурацию расположения технических средств, в том числе на пультах и щитах.

Вспомогательные средства автоматизации

Несмотря на второстепенную роль, дополнительные устройства обеспечивают важные контрольные и управляющие функции. Благодаря им обеспечивается та самая связь между исполнительными устройствами и человеком. В плане оснащения вспомогательными приборами автоматизация производства может предусматривать кнопочные станции, реле управления, различные переключатели и командные пульты. Существует множество конструкций и разновидностей данных устройств, но все они ориентированы на эргономичное и безопасное управление ключевыми агрегатами на объекте.

Автоматизация электроэнергетических систем

Автоматизация – это наука о принципах, методах и средствах построения систем и устройств, позволяющих управлять теми или иными устройствами и их совокупностями без участия человека.

Автоматизация широко используется в электроэнергетике. Под автоматизацией электроэнергетических систем (ЭЭС) понимают их оснащение отдельными устройствами и системами для управления производством, передачей и распределением электрической энергии в нормальных и аварийных режимах без участия человека. Роль автоматики, уровня ее совершенства, исключительно важна для обеспечения надежности ЭЭС.

Ввиду широкого использования электрической энергии абсолютно во всех сферах жизнедеятельности человека выход из строя энергосистемы, нормальная работа которой во многом определяется надежностью автоматики, приведет к негативным, а зачастую и катастрофическим последствиям.

Так, например, из-за нарушений в работе устройств системной автоматики крупнейшей в США энергосистемы CANUSE («Канада – США восточная») 9 ноября 1965 года произошел «развал» энергосистемы. Эту аварию назвали «катастрофой века» – за 11 минут на территории 200 тысяч квадратных километров, где расположены такие гигантские города, как Нью-Йорк, Бостон, Монреаль и другие, полностью отключилось электричество. Остановились электропоезда, тысячи людей застряли в поездах метро в туннелях между станциями, самолеты не могли совершить посадку на «пропавших» в темноте аэродромах, многие остались в лифтах, остановившихся между этажами домов. Убытки, вызванные катастрофой, составили колоссальную сумму – около 100 миллионов долларов. А причиной аварии стало неправильное срабатывание одного из элементов системной автоматики – реле.

Важнейшим показателем совершенства ЭЭС является качество электроэнергии, под которым прежде всего понимается стабильность величины напряжения и его частоты. Отклонение этих параметров от номинальных значений приводит к ухудшению работы потребителей электроэнергии. Так, например, скачки напряжения сверх допустимых пределов и даже кратковременный перерыв подачи электроэнергии (0,01 с) приводят к сбою в работе электронного оборудования. Задачи поддержания требуемой стабильности величины напряжения и его частоты реализуются соответствующими автоматическими системами.

Для повышения надежности электроснабжения широкое применение находят автономные источники электроэнергии в виде дизельных электростанций, газотурбинных установок, установок гарантированного электропитания с использованием различных первичных источников энергии. Их нормальное функционирование также невозможно без автоматических систем управления.

Для контроля и управления режимами источников электроэнергии, обеспечения бесперебойного снабжения потребителей, руководства ликвидацией аварий в энергосистеме создаются службы диспетчерского управления энергосистемой. В настоящее время сложность задач оперативного управления большими ЭЭС приводит к тому, что диспетчер не в состоянии проконтролировать все узловые точки электрической сети и не способен достаточно быстро произвести операции по ее управлению. Поэтому на автоматику возлагаются операции по управлению ЭЭС с требуемой точностью, надежностью и быстродействием, соизмеримым с длительностью электромагнитных и электрических процессов, протекающих в системе.

Итак, главное назначение автоматизации ЭЭС состоит в обеспечении требуемого качества электроэнергии и повышении надежности снабжения потребителей электроэнергией. Отметим также, что автоматизация приводит к большей простоте и удобству эксплуатации и повышает экономичность режимов работы ЭЭС.

Автоматизация начинается с применения автоматических устройств для управления отдельными объектами.

Их можно разделить на два больших класса:

1. Автоматы и автоматические системы, выполняющие определенного рода одноразовые или многоразовые операции.
2. Автоматические системы, которые в течение достаточно длительного времени нужным образом изменяют или поддерживают постоянной какую-либо физическую величину объекта управления.

В электроэнергетике к системам первого класса относятся устройства и системы автоматизации следующих видов:

Автоматическая сигнализация;
автоматическое включение синхронных машин на параллельную работу;
противоаварийная автоматика (ПА);
автоматическая частотная разгрузка (АЧР);
автоматическое повторное включение (АПВ);
автоматическое включение резерва (АВР);
автоматизированные системы диспетчерского управления электроэнергетической системой.

К автоматическим системам второго класса в электроэнергетике относятся прежде всего системы автоматического регулирования:

Напряжения генератора;
частоты вращения дизеля;
напряжения стабилизатора напряжения;
напряжения трансформатора и др.

Автоматическое регулирование в ЭЭС используется в основном для регулирования напряжения и реактивной мощности, частоты и активной мощности.

Основными задачами автоматического регулирования являются:

Обеспечение качества и заданных уровней напряжения в узлах ЭЭС и тем самым рационального распределения потоков реактивной мощности при передаче электроэнергии от источников к потребителям;
обеспечение устойчивости и работы ЭЭС в нормальных и аварийных режимах.

Производство, распределение и потребление электроэнергии происходят в основном на переменном токе. Частота генерируемого напряжения f жестко связана с угловой скоростью вращения синхронного генератора. Поэтому для обеспечения стабильности частоты f агрегаты, приводящие во вращение генераторы, снабжаются автоматическими регуляторами частоты вращения. Они, кроме задачи стабилизации частоты f , одновременно решают задачу оптимального распределения активной мощности между параллельно работающими генераторами, минимизируя затраты на производство электроэнергии.

Системы автоматизации технологических процессов

Автоматизация – одно из направлений научно-технического прогресса, находит выражение в применении саморегулирующих технических средств, экономико-математических методов и систем управления, освобождающих человека полностью от непосредственного участия в процессах получения, преобразования, передачи и использования энергии, материалов или информации. Требует дополнительного применения контрольных устройств, использующих электронную технику и методы вычислений, копирующие нервные и мыслительные функции человека.

Автоматизация технологического процесса – это совокупность методов и средств, предназначенная для реализации системы или систем, позволяющих осуществлять управление производственным процессом без непосредственного участия человека.

Повышение эффективности производственного процесса;
Повышение безопасности производственного процесса.

Улучшение качества регулирования;
Повышение коэффициента готовности оборудования;
Улучшение эргономики труда операторов процесса.

Решение задач автоматизации технологического процесса осуществляется при помощи:

Внедрения современных методов автоматизации;
внедрения современных средств автоматизации.

Как правило, в результате автоматизации технологического процесса, создаётся АСУ ТП.

Автоматизация технологических процессов в рамках одного производственного процесса позволяет организовать основу для внедрения систем управления производством и систем управления предприятием.

В связи с различностью подходов различают автоматизацию следующих технологических процессов:

Автоматизация непрерывных технологических процессов (Process Automation);
Автоматизация дискретных технологических процессов (Factory Automation);
Автоматизация гибридных технологических процессов (Hybrid Automation).

Основными целями автоматизации технологического процесса являются:

Повышение эффективности производственного процесса;
- повышение безопасности производственного процесса.

Цели достигаются посредством решения следующих задач автоматизации технологического процесса:

Улучшение качества регулирования;
- повышение коэффициента готовности оборудования;
- улучшение эргономики труда операторов процесса;
- хранение информации о ходе технологического процесса и аварийных ситуациях.

Решение задач автоматизации технологического процесса осуществляется при помощи внедрения современных методов и средств автоматизации. В результате автоматизации технологического процесса создается АСУ ТП.

Автоматизация технологических процессов в рамках одного производственного процесса позволяет организовать основу для внедрения систем управления производством и систем управления организацией.

В связи с различностью подходов выделяют:

1. автоматизацию непрерывных технологических процессов;
2. автоматизацию дискретных технологических процессов;
3. автоматизацию гибридных технологических процессов.

Автоматизированная система управления технологическими процессами осуществляет передачу производственных функций, функций контроля и управления от человека специальным автоматическим техническим устройствам, которые обеспечивают автоматизированный сбор, регистрацию, передачу и обработку информации.

Поэтому к автоматизированной системе управления производством можно отнести оборудование (станок или аппарат), линию, комплекс, соединенные собственной системой связи с контрольно-измерительными приборами, быстро и последовательно собирающими сведения об отклонении от нормы в технологическом процессе и анализирующие полученную информацию.

Системы, ответственные за решение конкретной функции оборудования, технологического процесса быстро решают, как нужно отрегулировать работу механизмов, устранить отклонения в режимах технологических процессов и т.д.

По линиям связи отдаются команды для проведения необходимой корректировки и одновременно контролируется выполнение поступивших команд.

Системы управления технологическими процессами (АСУ ТП) образуют совместно с современным комплексом основных и вспомогательных агрегатов и машин автоматизированные комплексы (АК).

Проектирование систем автоматизации

Важнейшей составной частью любого современного производства и инженерных систем любого профиля является широкое внедрение автоматизации технологических систем на основе микропроцессорных контроллеров.

Использование автоматизированных систем управление технологическими процессами (АСУ ТП) позволяет:

Осуществлять наиболее совершенное управления, которое можно быстро перенастроить программным путем при изменении параметров объекта;
учитывать при управлении не только настоящее состояние объекта управления, а также его предысторию благодаря наличию памяти МПК;
рассчитывать в автоматическом режиме наиболее подходящую структуру и параметры.

В последние годы, при создании АСУ ТП на основе МПК используют методы современной теории управления сложными объектами, оценки состояния и параметров их адаптивной настройки, параметров цифровых регуляторов. Любая система существует не сама по себе, а в окружении внешней среды, которая взаимодействует с ней в целом, или с отдельными его элементами. Взаимодействие элементов системы, как из среды себя, так и с внешней средой, вносит известную неопределенность в понятие о границах системы и препятствует его локализацию. Приходится ограничивать количество связей, которые надо учитывать и отбрасывать несущественные, мало влияющие на функционирование системы. Поэтому, важнейшим шагом внедрение АСУ ТП является проектирование систем автоматизации.

Централизованная автоматизация систем теплоснабжения, водяного отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха, горячего и холодного водоснабжения, газоснабжения, водоотведения, электроснабжения и других инженерных магистралей требует взвешенного, обоснованного проектирования и использования качественной надежной автоматики. Основным инструментом для решения современных проблем автоматизации технологических процессов служат так называемые автоматизированные системы управления (АСУ).

Проектирование систем включает в себя следующие этапы:

1. Проектирование уровня полевого оборудования и КИП. Разработка функциональных схем автоматизации объекта; определение типов, а также мест установки датчиков и исполнительных механизмов; разработка схем шкафов автоматики; схем внешних проводок; планов трасс.
2. Проектирование уровня сбора и обработки информации, управления исполнительными механизмами. Выбор типов и состава контроллеров; разработка алгоритмов функционирования и программирование контроллеров.
3.Проектирование уровня операторских станций и сетей.

Проектирование автоматизированных рабочих мест операторов (АРМ) и локальных вычислительных сетей (ЛВС). Разработка прикладного программного обеспечения операторских станций, промышленных серверов и сетевого оборудования.

Уровень сложности и масштабности систем - от автоматизации отдельных технологических установок до комплексной автоматизации всего производства.

Предусматривается выполнение полного комплекса проектных работ или его отдельных этапов:

Обследование объекта автоматизации, формирование исходных данных;
разработка концепции автоматизации, формирование технических требований;
разработка рабочих материалов для проведения тендера по выбору фирмы-поставщика базовых средств автоматизации;
разработка технического задания на создание систем автоматизации;
разработка технического проекта и рабочей документации в частях ОР, ОО, ТО, ИО, МО, ПО;
разработка сметной документации;
сопровождение экспертиз проектно-сметной документации;
авторский надзор за соблюдением проектных решений.

Системы автоматизации производства

Система автоматизированного проектирования - САПР используется проектировщиками при разработке новых изделий и технико-экономической документации. Она позволяет значительно сократить время на разработку и изготовление чертежей проекта, которые раньше выполнялись вручную, и создает возможность разработки различных вариантов проектов для последующего выбора оптимального варианта. Компьютерная система дает возможность хранить документацию в памяти компьютера и по мере необходимости получать ее для внесения в проект изменений; переносить чертежи на бумажный носитель; вести проверку ошибок.

Системы автоматизированного проектирования (САПР) начали внедряться в конце 50-х гг. для технических расчетов, в 60-х гг. для проектно-конструкторских работ (ЭВМ использовалась в режиме пакетной обработки данных). Так, например, разработанные САПР технологических процессов (САПР ТП) позволяют проектировать на ЭВМ технологические процессы горячей штамповки и штампы, выдавая всю необходимую технологическую информацию. Человек участвует только в кодировании исходных данных.

Возможны два принципиально различных способа автоматизированного проектирования:

1. Синтез проектируемого объекта (конструкции, технологического процесса, цеха) применяется к заданным конкретным требованиям и технико-экономическим условиям при крупносерийном и массовом выпуске продукции (индивидуальное проектирование);
2. Поиск с использованием информационно-поисковых систем по заданным характеристикам типового или группового объекта из имеющейся в памяти ЭВМ номенклатуры объектов для предприятий с единичным, мелкосерийным и серийным характером производства (групповое или типовое проектирование).

Описание группового технологического процесса для деталей представляет собой список технологических операций (технологический маршрут) с закрепленными за каждой из них оборудованием и оснасткой. Технологический процесс для каждой конкретной детали, принадлежащей данной группе, определяется выбором из группового технологического процесса операций необходимых для изготовления этой детали. При выборе операций используют формализованные правила (условия), устанавливающие соответствие технологических, конструктивных и производственных параметров детали, с одной стороны, и операций технологического процесса, размеров и типов оснастки с другой. Такие САПР ТП предназначены в основном для предприятий с единичным и мелкосерийным производством.

На предприятиях с массовым и крупносерийным производством повышаются требования к качеству проектного решения. Даже незначительное уменьшение, например, расхода металла или трудозатрат в одном технологическом процессе дает большой экономический эффект при изготовлении сотен тысяч и миллионов деталей. При этом необходимо индивидуальное проектирование (синтез) технологического процесса и оснастки применительно к изготовляемой детали с учетом особенностей ее формы и размеров и возможностей используемого технологического оборудования, а также оптимизация проектного решения. Процесс проектирования разбивают на элементарные, но универсальные операции (элементы расчетов, принятия решений, геометрических преобразований и др.), каждая из которых уже не зависит от особенностей деталей и проектируемых процессов. Однако в совокупности комплекс элементарных операций обеспечивает принятие решения для деталей любых форм и технологических требований для выбранного класса задач.

В 70-х гг. появление мини-ЭВМ и терминалов дало возможность получать с помощью САПР ТП чертежи и графики в интерактивном режиме при небольших трудовых и финансовых затратах.

САПР позволяет ускорить процессы проектирования и повысить качество проектов, быстрее использовать новейшие достижения науки и техники, лучше удовлетворять потребности в новых изделиях.

Автоматизированная система управления производством

Автоматизированная система управления производством (АСУП) это ряд технологий, позволяющих управлять и контролировать работу производственного оборудования при помощи ЭВМ. Эта технология идет дальше обычной автоматизации в основном за счет обеспечения гибкости производственного процесса. Компьютер может передать на управляемую им единицу оборудования новый набор команд и изменить выполняемую оборудованием задачу.

Первые автоматизированные системы планирования – системы планирования материальных ресурсов(Manufacturing Resources Planning), MRP-системы – появились в США в 60-е годы, и до настоящего времени не потеряли своей актуальности. В это время лидерство американской промышленности было безусловным. Однако появление сильной конкуренции со стороны Европы и Японии требовало соответствующих решений.

Проблема наличия необходимых материалов и комплектующих в нужное время, в нужном месте и в нужном количестве особенно актуальна для массовых сборочных производств, где простои конвейера недопустимы.

Методология MRP и соответствующие программные решения разрабатывались специально под производства, использующие систему КАНБАН или just-in-time.

Данная методология служит для реализации следующих целей:

Минимизация запасов на складах сырья и готовой продукции;
оптимизация поступления материалов и комплектующих в производство и исключение простоев оборудования из-за не прибывших вовремя материалов и комплектующих.

Следует понимать, что MRP – это методология, на практике представляющая собой компьютерную программу.

В настоящее время для планирования ресурсов предприятий с серийным производством используется подход, получивший название MRP II– планирование производственных ресурсов.

Ядром системы является методика планирования потребностей в материалах MRP (Material Requirements Planning).

АСУП, претендующая на звание MRP II-системы, должна соответствовать требованиям документа «MRP II Standard System», который разработан Американским обществом по контролю за производством и запасами (American Production and Inventory Control Society APICS) и содержит описание 16 групп функций, которые должна поддерживать АСУП. Уровень поддержки делится на обязательный и необязательный (опциональный).

Основная задача АСУП это управления всеми составными частями производства, то есть управление основным используемым при обработке оборудованием ГПС (основное оборудование ГПС это станки оснащенные системой ЧПУ), а также дополнительным (к вспомогательному, но не менее важному оборудованию ГПС можно отнести различное технологическое оснащение, необходимое для выполнения определенной операции технологического процесса обработки детали, промышленных роботов, роботов транспортеров и т.д.). «Технологическим процессом» называется часть «производственного процесса» (производственный процесс начинается с обработки заготовки и заканчивается сборкой деталей в узлы) содержащая действия (совокупность операций и переходов, выполняющихся в определенной последовательно) по изменению состояния предмета производства (заготовки), технологический процесс связан непосредственно с изменением размеров, формы и свойств материала обрабатываемой заготовки.

По степени автоматизации АСУП подразделяют на:

Автоматические (полностью автоматика, без участия человека-оператора);
автоматизированные (автоматика с участием человека-оператора, дополняющего работу АСУП).

АСУП можно разделить на несколько уровней, их число зависит от исполнения ГПС:

На внешнем уровне находится устройство управления станком, роботом, транспортом;
следующий уровень представляет собой концентратор каналов связи от устройств нижнего уровня, который может быть выполнен в виде микро ЭВМ;
третий уровень, это система управления ГПС;
четвертый – система управления заводом.

Основные функции АСУП:

Управление транспортными перемещениями;
наблюдение за всем производственным процессом;
вывод данных на печать;
вывод информации на монитор;
сигнализирование при необходимости в случае аварийной ситуации;
технологическая подготовка производства;
управление технологическим процессом производства;
управление инструментальным обеспечением;
оперативное планирование.

Состоит АСУП из средств вычислительной техники - управляющих ЭВМ, связанных в единый комплекс с помощью интерфейсных устройств и линий передачи данных, и программного обеспечения, предназначенного для управления отдельными единицами автоматизированного оборудования всех подсистем и системы в целом. Она базируется на использовании оборудования с ЧПУ, ГПМ. Программное управление автоматизированных систем технического оборудования основывается на применении программы, определяющей порядок действий с целью получения требуемого результата. Вычислительные машины, устройства сопряжения с объектами и передачи данных являются аппаратурными средствами системы управления ГПС, функционирующими под управлением программных средств.

В состав АСУ ГПС входят следующие подсистемы:

Подсистема УТСС (подсистема АСУП, необходимая для управления транспортно-складской системой);
- подсистема УТПП (подсистема АСУП, осуществляющая управление технологическим процессом производства);
- подсистема ТПП (подсистема АСУП, осуществляющая технологическую подготовку производства);
- подсистема УИО (подсистема АСУП, для управления инструментальным обеспечением);
- подсистема ОКП (подсистема АСУП, осуществляющая оперативно-календарное планирование).

Автоматизация инженерных систем

Комплекс решений по автоматизации и диспетчеризации инженерных систем предназначен для целого ряда объектов. В первую очередь, это офисные и административные здания. Во-вторую, но не в последнюю - центры обработки данных, торгово-развлекательные центры, спортивные сооружения, промышленные объекты, жилые здания и другие строения. Использование систем автоматизации и диспетчеризации позволяет повысить интеллектуальный уровень любого объекта.

Системы служат для решения следующих задач:

Управление и контроль состояния всех инженерных систем и оборудования объекта из единого центра;
создание максимально комфортных условий для работы и проживания;
сокращение издержек на эксплуатацию объекта за счет внедрения энергоэффективных решений и уменьшения затрат на потребление энергии (электричества, тепла, воды, газа);
поддержка устойчивого развития здания.

В жилых помещениях и нежилых зданиях существуют различные инженерные системы, которые каждый день потребляют энергетические ресурсы, такие как электроэнергия, газ и вода.

В большинстве домов все системы работают автономно, не пересекаясь друг с другом. Однако все чаще при помощи новейших технологий проводится автоматизация и диспетчеризация инженерных систем зданий, которая позволяет связать все установки в одну систему и наладить ее удобное управление.

Одним из самых ярких примеров таких технологий является «Умный дом», о котором наверняка слышали потребители, которые интересуются инновациями. Чтобы понять, для чего разрабатываются подобные проекты, стоит изучить их характеристики и возможности.

Где может использоваться автоматизация инженерных систем зданий

Любое здание, в котором используются бытовые приборы, инженерные установки и другая техника различного рода, могут быть подключены к единой системе. Это значит, что не только жилые дома, но и офисные помещения, производственные мощности, административные здания и всевозможные строения можно сделать более удобными в плане эксплуатации.

Автоматизация и диспетчеризация инженерных систем зданий помогает значительно повысить комфорт их использования и безопасность людей, поскольку система самостоятельно решает большинство вопросов, связанных с повышением риска. На данный момент в России такие технологии в основном находят свое применение в жилых домах, но очень вероятно, что скоро они будут внедрены и в другие сферы, поскольку на это есть очень весомые причины.

Что дает автоматизация инженерных систем зданий:

Минимизацию участия человека в управлении любыми частями системы;
Повышение безопасности;
Снижение затрат на обслуживание всех частей системы;
Возможность удаленного доступа к работе всего оборудования и контроля над ним;
Повышение уровня комфорта.

Прежде чем соединить все используемые в помещении коммуникации в одну сеть, стоит тщательно проверить их исправность и надежность. Внедрение таких инноваций лучше всего осуществлять на этапе строительства или капитального ремонта помещений, поскольку только в таком случае можно быть уверенными, что все инженерные установки работают в штатном режиме и не потребуют замены в ближайшем будущем.

Далее оцениваются все параметры жилого, муниципального или коммерческого помещения, важно учитывать малейшие нюансы, которые могут повлиять на работу систем. После проведения всех экспертных проверок составляется план работ по установке высокотехнологического оборудования, программного обеспечении и различных датчиков.

После монтажа системы проводится ее испытание и так называемое обучение. Поскольку умный дом самостоятельно контролирует расходы энергоресурсов и полностью обеспечивает безопасность людей, которые в нем находятся, ему нужно время на изучение нагрузки на определенные инженерные установки в то или иное время суток и график работы людей.

После получения полного пакета данных система самостоятельно составляет наиболее оптимальный алгоритм работы.

Автоматизация и диспетчеризация инженерных систем зданий может проходить комплексно или в несколько этапов.

Кроме повышения уровня комфорта и безопасности владельцы зданий, которые оснащены автоматическими системами диспетчеризации, получают и дополнительные выгоды в виде понижения коммунальных платежей.

Поскольку все инженерные системы интегрируются между собой и составляется наиболее выгодный алгоритм использования всех ресурсов, автоматически снижается уровень оплаты за использование электроэнергии, газа и воды. Также автоматизация и диспетчеризация инженерных систем зданий дает возможность следить за работой всех коммуникаций в удаленном режиме и контролировать ее.

К примеру, можно зайти на специальный сайт своего дома и проверить, не остались ли включенными бытовые приборы после ухода на работу, и если система не выключила их самостоятельно, что маловероятно, то можно в удаленном режиме дать ей эту команду.

Соединить все инженерные системы в один комплекс могут только грамотные специалисты, которые знают, как правильно составлять проекты по проведению работ такого типа и внедрять их в жизнь. Чаще всего этим занимаются специальные компании, которые имеют лицензии, подтверждающие их компетентность в данной области.

Только профессионалы высокого класса могут подобрать наиболее корректное оборудование и программное обеспечение, которое поможет без усилий управлять всеми частями системы, и гарантировать ее надежность и длительный срок эксплуатации.

Автоматизация информационных систем

Цель автоматизации информационных процессов - повышение производительности и эффективности труда работников, улучшение качества информационной продукции и услуг, повышение сервиса и оперативности обслуживания пользователей. Автоматизация базируется на использование средств вычислительной техники (СВТ) и необходимого ПО.

Основные задачи автоматизации информационных процессов заключаются в:

1) сокращении трудозатрат при выполнении традиционных информационных процессов и операций;
2) устранении рутинных операций;
3) ускорении процессов обработки и преобразования информации;
4) расширении возможностей осуществления статистического анализа и повышении точности учетно-отчетной информации;
5) повышении оперативности и качественного уровня обслуживания пользователей;
6) модернизации или полной замене элементов традиционных технологий;
7) расширении возможностей организации и эффективного использования информационных ресурсов за счет применения НИТ (автоматическая идентификация изданий, настольные издательские системы, сканирование текстов, СD и DVD, системы теледоступа и телекоммуникаций, электронная почта, другие сервисы Интернета, гипертекстовые, полнотекстовые и графические машиночитаемые данные и др.);
8) облегчении возможностей широкого обмена информацией, участия в корпоративных и других проектах, способствующих интеграции и т.п.

Автоматизированная система - это система, состоящая из персонала и комплекса средств автоматизации его деятельности, реализующая автоматизированную технологию выполнения установленных функций.

Автоматизированная система (АС) состоит из взаимосвязанной совокупности подразделений организации и комплекса средств автоматизации деятельности, и реализует автоматизированные функции по отдельным видам деятельности. Разновидностью АС являются информационные системы (ИС), основной целью которых является хранение, обеспечение эффективного поиска и передачи информации по соответствующим запросам.

ИС - взаимосвязанная совокупность средств, методов и персонала, используемых для хранения, обработки и выдачи информации в интересах достижения поставленной цели.

При этом автоматизированные информационные системы (АИС) являются областью информатизации, механизмом и технологией, эффективным средством обработки, хранения, поиска и представления информации потребителю. АИС представляют совокупность функциональных подсистем сбора, ввода, обработки, хранения, поиска и распространения информации. Процессы сбора и ввода данных необязательны, поскольку вся необходимая и достаточная для функционирования АИС информация может уже находиться в составе её БД.

Под базой данных (БД) обычно понимают именованную совокупность данных, отображающую состояние объектов и их отношений в рассматриваемой предметной области.

База данных – это совокупность размещаемых в таблицах однородных данных; это и именованную совокупность данных, отображающую состояние объектов и их отношений в рассматриваемой предметной области.

Управляют информационными процессами в БД с помощью СУБД (систем управления базами данных).

Совокупность баз данных обычно называют банком данных. При этом банк данных представляет собой логическую и тематическую совокупность баз данных.

Автоматизированная информационная система (Automated information system, AIS) - это совокупность программных и аппаратных средств, предназначенных для хранения и (или) управления данными и информацией, а также для производства вычислений.

Основная цель АИС - хранение, обеспечение эффективного поиска и передачи информации по соответствующим запросам для наиболее полного удовлетворения информационных запросов большого числа пользователей. К основным принципам автоматизации информационных процессов относят: окупаемость, надежность, гибкость, безопасность, дружественность, соответствие стандартам.

Выделяют четыре типа АИС:

1) Охватывающий один процесс (операцию) в одной организации;
2) Объединяющий несколько процессов в одной организации;
3) Обеспечивающий функционирование одного процесса в масштабе нескольких взаимодействующих организаций;
4) Реализующий работу нескольких процессов или систем в масштабе нескольких организаций.

При этом наиболее распространенными и перспективными считаются: фактографические, документальные, интеллектуальные (экспертные) и гипертекстовые АИС.

Для работы с АИС создают специальные рабочие места пользователей (в том числе работников), получившие название "автоматизированное рабочее место" (АРМ).

АРМ - комплекс средств, различных устройств и мебели, предназначенных для решения различных информационных задач.

Общие требования к АРМ: удобство и простота общения с ними, в том числе настройка АРМ под конкретного пользователя и эргономичность конструкции; оперативность ввода, обработки, размножения и поиска документов; возможность оперативного обмена информацией между персоналом организации, с различными лицами и организациями за ее пределами; безопасность для здоровья пользователя. Выделяют АРМ для подготовки текстовых и графических документов; обработки данных, в том числе в табличной форме; создания и использования БД, проектирования и программирования; руководителя, секретаря, специалиста, технического и вспомогательного персонала и другие. При этом в АРМ используются различные операционные системы и прикладные программные средства, зависящие, главным образом, от функциональных задач и видов работ (административно-организационных, управленческих и технологических, персонально-творческих и технических).

АИС можно представить как комплекс автоматизированных информационных технологий, составляющих ИС, предназначенную для информационного обслуживания потребителей.

АИС могут быть достаточно простыми (элементарные справочные) и сложными системами (экспертные и др., предоставляющие прогностические решения). Даже простые АИС имеют многозначные структурные отношения между своими модулями, элементами и другими составляющими. Это обстоятельство позволяет отнести их к классу сложных систем, состоящих из взаимосвязанных частей (подсистем, элементов), работающих в составе целостной сложной структуры.

Автоматизация технических систем

Автоматизация управления основывается на ряде принципов организации управления, которые можно разбить на четыре основных группы.

К первой группе можно отнести принципы организации производственного процесса. Эта группа принципов отвечает на вопрос: «Как управлять?».

При автоматизированном управлении производством действуют также принципы, определяющие организацию и функционирование АСУ). Эта группа принципов отвечает на вопрос: «Как организовать автоматизированное управление?»

Автоматизация управления стала возможной благодаря наличию современных технических средств, математического и организационного обеспечения, а также благодаря гибкости производственной информации. Это позволяет выделить группу принципов, определяющих возможность создания АСУ. Эта группа принципов отвечает на вопрос: «На чем основано автоматизированное управление?».

Процессы создания АСУ - от проектирования до внедрения - характерны наличием своих собственных принципов. Эта группа принципов отвечает на вопрос: «Как создавать автоматизированное управление?».

Третья и четвертая группа принципов будет последовательно рассматриваться во всех разделах данного курса. Первую и вторую группы принципов кратко изложим в настоящем разделе.

Принципы организации производственного процесса

Эти принципы определяют рациональное сочетание в пространстве и во времени всех основных, вспомогательных и обслуживающих процессов.

Принцип специализации. Специализация обусловливает выделение и обособление отраслей, предприятий, цехов, участков, линий и т. д., изготавливающих определенную продукцию или выполняющих определенные процессы. Уровень специализации предприятий и подразделений определяется сочетанием двух основных факторов - объемом производства и трудоемкостью продукции. На специализацию в значительной степени влияет стандартизация и нормализация, которые могут повысить масштабы производства однородной продукции. Специализация в целом отличается большой экономической эффективностью.

Соблюдение принципа специализации состоит в закреплении за каждым производственным подразделением, за каждым участком, вплоть до рабочего места, ограниченной номенклатуры работ, минимально возможного числа различных операций.

Принцип пропорциональности. Все производственные подразделения основных и вспомогательных цехов обслуживающих хозяйств, участков, линий, группы оборудования и рабочие места должны иметь пропорциональную производительность в единицу времени. Пропорциональные производственные возможности позволяют при полном использовании оборудования и площадей обеспечить равномерный выпуск комплектной продукции.

Несоблюдение принципа пропорциональности приводит к появлению "узких мест" и диспропорций, когда объем продукции или услуг тех или иных подразделений оказывается недостаточным для выполнения производственных заданий и тормозит дальнейшее развитие производства.

Принцип параллельности. Параллельное (одновременное) выполнение отдельных частей производственного процесса, этапов, фаз, операций расширяет фронт работ и резко сокращает длительность производственного цикла. Параллельность проявляется во многих формах - в структуре технологических операций, в совмещении основных и вспомогательных операций, в одновременном выполнении нескольких технологических операций и т. п.

Принцип прямоточности. Изделие, изготавливаемое предприятием, в процессе производства следует пропускать по всем фазам и операциям производственного процесса - от запуска исходного материала до выхода готовой продукции по кратчайшему пути без встречных и возвратных движений.

Соблюдение этого принципа реализуется в расположении зданий, сооружений, цехов, станков и в построении технологического процесса. Вспомогательные подразделения и склады размещаются возможно ближе к обслуживаемым ими основным цехам.

Принцип непрерывности. Перерывы в производстве необходимо устранять или уменьшать. Это относится ко всем перерывам, в том числе внутри операционным, междуоперационным, внутрисменным, междусменным. Машины или системы машин тем совершеннее, чем выше степень непрерывности их рабочего процесса. Организация производственного процесса тем совершеннее, чем выше степень достигнутой в нем непрерывности.

Принцип ритмичности. Производственный процесс должен быть так организован, чтобы в равные интервалы времени выпускались равные или возрастающие количества продукции и через эти интервалы времени повторились все фазы и операции процесса. Различают ритм запуска (в начале процесса), операционный ритм (промежуточный) и ритм выпуска продукции. Ведущим ритмом является последний.

Создание АСУ ТП должно быть направлено на соблюдение принципов организации производственного процесса. Функционирование АСУ ТП должно обеспечивать соблюдение принципов непрерывности и ритмичности.

Принципы организации автоматизированного управления

Эти принципы определяют технологию управления в условиях АСУ.

Повышение экономической эффективности производства является первым общим принципом автоматизации управления. При несоблюдении этого принципа автоматизация становится неэкономичной, нецелесообразной.

Общее упорядочение является вторым общим принципом автоматизации управления. В процессе создания АСУ ТП и при ее функционировании на предприятии происходят интенсивные процессы упорядочения. Упорядочивается все - технология и процессы управления, структура и потоки информации, методы управления и обязанности должностных лиц, в результате чего организация производства поднимается на более высокий качественный уровень.

Принцип соответствия - третий общий принцип автоматизации управления. Он является частным проявлением системного подхода и означает, например, гармоничное соответствие между потребностями автоматизируемого объекта и возможностями АСУ ТП.

Принцип единообразия является четвертым общим принципом. Он означает унификацию и стандартизацию элементов АСУ ТП. Унификация элементов АСУ ТП упрощает и удешевляет процессы проектирования, процессы эксплуатации и облегчает преемственность при создании новых АСУ.

Система автоматизации учета

При автоматизации не отдельных направлений, а всей деятельности организации в целом целесообразным является применение систем комплексной автоматизации. Учет продаж является одной из составляющих бухгалтерского учета на предприятиях торговли, поэтому необходимо провести анализ существующих пакетов прикладных программ бухгалтерского и оперативного учета.

Среди представленных на российском рынке систем автоматизации торговли можно отметить предложения фирм «1С» («1С:Торговля»), «Информационные системы и технологии» (система «Аспект»), «Галактика-Магазин» (система «Галактика»), «Сбыт и торговля» (система «Флагман»), «Парус», «Мета» (Комплекс автоматизации в розничной торговле), «Интеллект-Сервис». Рассмотрим наиболее представительные из них.

Система автоматизации «1С:Торговля и склад»

«1С: Торговля и склад» представляет собой компоненту «Оперативный учет» системы «1С:Предприятие» с типовой конфигурацией для автоматизации складского учета и торговли.

Компонента «Оперативный учет» предназначена для учета наличия и движения материальных и денежных средств. Она может использоваться как автономно, так и совместно с другими компонентами «1С: Предприятия».

«1С: Торговля и склад» предназначена для учета любых видов торговых операций. Благодаря гибкости и настраиваемости, система способна выполнять все функции учета - от ведения справочников и ввода первичных документов до получения различных ведомостей и аналитических отчетов.

Функциональные и сервисные возможности системы включают:

Усовершенствованный механизм назначения цен.
- Операция «быстрой продажи», позволяющая выполнить автоматическое формирование и печать необходимого пакета документов при продаже группы товаров.
- Групповые обработки справочников и документов.
- Автоматическое начальное заполнение документов.
- Возможность детализации взаиморасчетов с контрагентами в разрезе договоров.

«1С: Торговля и склад» автоматизирует работу на всех этапах деятельности предприятия.

Типовая конфигурация системы позволяет:

Вести раздельный управленческий и финансовый учет;
- вести учет от имени нескольких юридических лиц;
- вести партионный учет товарного запаса с возможностью выбора метода списания себестоимости (FIFO, LIFO, по средней);
- вести раздельный учет собственных товаров и товаров, взятых на реализацию;
- оформлять закупку и продажу товаров;
- производить автоматическое начальное заполнение документов на основе ранее введенных данных;
- вести учет взаиморасчетов с покупателями и поставщиками, детализировать взаиморасчеты по отдельным договорам;
- формировать необходимые первичные документы;
- оформлять счета-фактуры, автоматически строить книгу продаж и книгу покупок;
- выполнять резервирование товаров и контроль оплаты;
- вести учет денежных средств на расчетных счетах и в кассе;
- вести учет товарных кредитов и контроль их погашения;
- вести учет переданных на реализацию товаров, их возврат и оплату.

В «1С: Торговля и склад» возможно:

Задание для каждого товара необходимого количества цен разного типа, хранение цены поставщиков, автоматический контроль и оперативное изменение уровня цен;
- работа со взаимосвязанными документами;
- выполнение автоматического расчета цен списания товаров;
- быстрое внесение изменений с помощью групповых обработок справочников и документов;
- ведение учета товаров в различных единицах измерения, а денежных средств - в различных валютах;
- получение самой разнообразной отчетной и аналитической информации о движении товаров и денег;
- автоматическое формирование бухгалтерских проводкок для 1С:Бухгалтерии.

«1С: Торговля и склад» может быть адаптирована к любым особенностям учета на конкретном предприятии.

В состав системы входит Конфигуратор, который позволяет при необходимости настроить все основные элементы системы:

Редактировать существующие и создавать новые необходимые документы любой структуры;
- изменять экранные и печатные формы документов;
- создавать журналы для работы с документами и произвольно перераспределять документы по журналам для эффективной работы с ними;
- редактировать существующие и создавать новые справочники произвольной структуры «1С:Торговля и склад» содержит разнообразные средства для связи с другими программами.

Возможность импорта и экспорта информации через текстовые файлы позволит обмениваться данными практически с любой программой.

«1С:Торговля и склад» обеспечивает работу с торговым оборудованием: контрольно-кассовыми машинами, чековыми принтерами, сканерами и принтерами штрих-кодов, электронными весами, терминалами сбора данных, дисплеями покупателя и другими видами оборудования.

«Интеллектуальное» взаимодействие с торговым оборудованием позволяет, например, заполнять документы путем считывания штрих-кодов товаров сканером.

Система автоматизации учета торговли «Галактика – Магазин»

Система автоматизации учета торговли «Галактика - Магазин» предназначена для ведения оперативного учета товародвижения, для ведения бухгалтерского учета для розничной продажи через торговый зал.

Данный программный комплекс является универсальным - он может применяться как для автоматизации небольших магазинов, так и для организации сети крупных супермаркетов.

Конфигурация реализована на основе КИС «Галактика-Старт», следовательно:

Имеет невысокую стоимость и при этом обладает широким функционалом;
- поддерживает все нормативные документы;
- функциональные возможности системы позволяют автоматизировать основные учетные задачи предприятия – от управления снабжением и сбытом до расчета заработной платы;
- при дальнейшем развитии, предприятие получает возможность перейти на КИС «Галактика» без проблем переноса БД;
- головное предприятие, выбравшее КИС «Галактика», организует межофисный обмен с сетью своих магазинов, используя лишь накладные и прайс-листы.

«Галактика-Магазин» применяется и в том случае, если для небольших магазинов используется один ПК и для работы торгового зала, и для ведения бухгалтерии (причём выключение ПК не влияет на работу кассира).

Основные функциональные особенности системы включают:

Учет остатков товаров на складах предприятия и в торговых залах;
- контроль сроков реализации товаров;
- контроль минимальных остатков товаров на складах;
- анализ скорости продаж товаров и групп товаров;
- контроль за работой продавцов-кассиров;
- контроль суммового выражения остатков в отделе продаж;
- ведение взаиморасчетов с поставщиками;
- автоматический учет торговой деятельности на реализации;
- возможность постепенного внедрения системы на предприятии розничной торговли;
- поддержка работы с широким спектром торгового оборудования;
- возможность использования единой базы данных на распределенных предприятиях розничной торговли.

Все это позволяет увеличить скорость обслуживания покупателей, гарантирует отсутствие ошибок при вводе данных на ККМ, оперативно отслеживать наличие и движение товарно-материальных ценностей и делать своевременные заказы.

Использование решения «Галактика-Магазин» позволяет идентифицировать поступившие на предприятие товарно-материальные ценности по штрих-коду, передавать сведения об имеющихся товарно-материальных ценностях в память контрольно-кассовых машин и считывать из них сведения о продажах, формировать документы на их реализацию покупателям, производить инвентаризацию, формировать отчеты по итогам продаж. С системой «Галактика-Магазин» предприятие сможет работать в едином информационном пространстве, что поможет оптимизировать управление всем предприятием и повысить его конкурентоспособность.

Подсистема «Сбыт и торговля» информационной системы «Флагман»

Подсистема «Сбыт и торговля» корпоративной информационной системы «Флагман» предназначена для автоматизации работы сбытовых служб производственных предприятий и предприятий сферы торговли. Основные функции - формирование портфеля заказов на поставку продукции и услуг, учет отгрузки и реализации продукции и услуг, резервирование товаров.

К основным задачам подсистемы относят:

Учет остатков и движения готовой продукции и товаров;
- учет реализации продукции, товаров и услуг.

В системе учитываются допустимые сроки хранения и реализации продукции. Поддерживаются операции с наличными запасами, с оптимальными объемами запасов, осуществляется расчет дефицитных и сверхнормативных позиций. В рамках подсистемы поддерживаются операции резервирования товаров, осуществляются текущие операции по сбыту и реализации продукции. Ведется история цен.

В подсистеме реализованы различные цепочки бизнес-логики: от формирования портфеля заказов до выпуска и отгрузки продукции по этим заказам. Подсистема предоставляет возможность ведения договоров, графиков отгрузки продукции и поступления оплаты. На основании договоров, заявок формируется портфель заказов, производится выписка счетов, распоряжений на отгрузку. Подсистема «Сбыт и торговля» может работать совместно с подсистемами «Маркетинг», «Технико-экономическое планирование», «Календарное планирование», «Бухгалтерский учет» и «Складской учет». В состав подсистемы частично включены функции подсистем «Договоры и взаиморасчеты» и «Складской учет». В качестве самостоятельного программного блока реализуются функции розничной торговли, с возможностью применения кассовых аппаратов.

Системы диспетчеризации и автоматизации

Автоматизация зданий - одно из важнейших направлений в области строительства и управления инженерными системами. Применение системы автоматизации зданий позволяет повысить эффективность работы осветительного и обогревательного оборудования, вентиляции и кондиционирования, водоснабжения. Два основных аспекта предопределили рост популярности комплексных решений для обеспечения автоматизированного управления инженерными системами жилых и административных зданий: ужесточение требований к энергоэффективности зданий, и повышение уровня индивидуального комфорта.

Система автоматизации зданий снижает расход энергетических ресурсов (электричества, различных видов топлива), необходимых для обеспечения отопления и горячего водоснабжения, повышает эффективность работы инженерных систем в условиях аварийных ситуаций. Это положительно сказывается на безопасности функционирования здания, делает пребывание в здании более комфортным за счет улучшенного контроля за температурой в помещениях, за режимом вентиляции и кондиционирования. Интеграция и оптимизация работы всех инженерных компонентов (систем безопасности, жизнеобеспечения, коммуникации) - вот основная функция автоматизированных решений для управления зданием. Диспетчеризация инженерных систем является необходимым этапом при построении автоматической системы управления зданием.

Понятие диспетчеризации включает в себя организацию постоянного наблюдения за работой различных подсистем в режиме реального времени. Посредством диспетчеризации инженерных систем осуществляется удаленный контроль и управление различными процессами, изменение рабочих параметров тех или иных устройств и компонентов, передача данных об их состоянии и ведение протоколов и баз данных со сведениями об их работе.

Обзор литературы по данной тематике показал актуальность темы на сегодняшний день. Автоматизация и диспетчеризация зданий призвана обеспечить контроль над автономно работающим оборудованием, объединив его в единый инженерный комплекс и предельно минимизировав “человеческий фактор”.

Исходя из анализа статей по данной проблеме, на сегодняшний день в нашей стране ведется крупномасштабная работа по экономии всех видов энергоресурсов. Постоянный рост цен заставляет искать эффективные методы экономии.

Так же было выявлено, что в настоящее время с целью увеличения позитивного эффекта комплексной автоматизации зданий разрабатывается алгоритмы взаимосвязанной автоматизации разных инженерных систем. Например, взаимодействие систем автоматизации климата и вентиляции позволяет увеличить эффект энергосбережения и комфортных условий в здании. Интеграция систем видеонаблюдения и охранной сигнализации повышает уровень безопасности здания.

Однако автоматизация имеет ряд негативных эффектов:

1. Автоматизация приводит к появлению большого количества узлов, а как следствие и увеличение возможных точек отказа и неисправностей.
2. Усложнение конструкций требует повышения квалификации персонала.
3. Дороговизна внедрения систем автоматизации и диспетчеризации.

Основной причиной описанных негативных факторов является отсутствие единых средств взаимодействия оборудования.

К сожалению, проанализировав рынок разработок, мы имеем, что область внедрения комплексных систем автоматизации ограничена элитным строительством. Из-за данной проблемы внедрение энергосберегающих методов управления коммунальным хозяйством большинства объектов невозможно по экономическим соображениям.

На сегодняшний день в современных зданиях системы автоматизации и диспетчеризации играют одну из главных ролей, они связывают все инженерные сети. В данной статье приводится обзор существующих функций автоматизации инженерных систем.

Функции автоматизации и диспетчеризации инженерных систем

Функциональное назначение любого здания - быть укрытием от внешней среды, создавать комфортные условия для пребывания человека. Чтобы условия были комфортными, помимо стен и крыши нужно обеспечить должное количество воздуха (вентиляцию) и его качество (отопление, кондиционирование). Также необходимо обеспечить освещение, бесперебойное электроснабжение и т. д. Таким образом, у нас получается современное здание, насыщенное всевозможными инженерными системами. Для управления этими системами было бы необходимо большое количество обслуживающего персонала, если бы не автоматика.

В последнее время системы автоматизированного управления перестали быть чем-то диковинным. Вне зависимости от области применения целью внедрения таких систем являются снижение эксплуатационных расходов, обеспечение важной информацией, повышение безопасности и комфорта.

Для того чтобы оценить, как сильно изменились возможности в области автоматизации и диспетчеризации за последние годы и как они еще поменяются, важно осознать значение некоторых технологических прорывов, которые произошли за последнее время. Прогресс не стоит на месте, и предсказать, как далеко они уйдут вперед крайне сложно.

Правда, на пути прогресса оказалось немало препятствий. Среди них: автономные системы автоматизации различного применения, сходные по управляющим функциям системы различных производителей были, как правило, несовместимы между собой. Фирмы-разработчики использовали свои закрытые коммуникационные протоколы и не предусматривали интерфейсов для взаимодействия с системами других производителей. Являясь собственностью отдельных компаний, соответствующие продукты и технологии автоматизации с трудом поддавались интеграции друг с другом. Для решения этой проблемы требовались дорогостоящие технические решения, связанные с написанием нового программного обеспечения. Таким образом, в определенный момент на рынке сложились объективные предпосылки для успешного внедрения новых подходов в области автоматизации.

Под автоматизацией обычно понимают интеграцию в единую систему управления зданием следующие системы:

Систему отопления, вентиляции и кондиционирования;
- Охранно-пожарную сигнализацию;
- Систему видеонаблюдения;
- Сети связи;
- Систему электропитания;
- Систему освещения;
- Механизацию здания;
- Телеметрию (удаленное слежение за системами);
- IP-мониторинг объекта (удаленное управление системами по сети).

На сегодняшний день технологии позволяют строить домашнюю автоматизацию покомпонентно, т. е. выбирать только те функции, которые действительно необходимы в зависимости от потребностей каждого человека.

В функции автоматизации здания входит:

Управление светом. Позволяет пользователю создавать световые сценарии неограниченного числа источников света;
- Управление микроклиматом. Система поддерживает температуру помещения на заданном уровне;
- Управление системой отопления;
- Управление системой охраны;
- Эффект присутствия.

Энергосбережение с помощью средств автоматизации

Энергосбережение за счет снижения эксплуатационных расходов зданий и сооружений становится мировым трендом. Сегодня на здания в среднем приходится около 40 % потребляемой первичной энергии и 67 % вырабатываемого электричества. Кроме того, они несут ответственность за 35 % выбросов углекислого газа.

Разумеется, повышение энергетической эффективности объекта - комплексная задача для всех участников строительства: архитекторов, конструкторов, проектировщиков, инженеров.

При проектировании энергоэффективного здания принимается во внимание его ориентация по сторонам света с учетом солнечной радиации, ветровой нагрузки, влажности и освещенности, конструктивные особенности ограждающих конструкций, теплоизоляция стен, использование энергосберегающего инженерного оборудования. Но автоматизированное управление инженерными системами позволяет достичь максимального результата при сравнительно небольших затратах.

Автоматизация зданий - быстро развивающаяся, но сравнительно молодая область техники, поэтому здесь, особенно на уровнях управления инженерными системами и системами жизнеобеспечения, практически ещё нет устоявшихся технических решений, выходящих за рамки частных решений отдельных фирм.

Внедрение автоматической системы управлением зданием позволит серьезно снизить расходы на содержание здания, обеспечит комплексную защиту жизни и здоровья людей, предотвращение серьезных аварий, значительное снижение ущерба от них, обеспечит комфортные условия проживания. Все это говорит об эффективности внедрения системы, особенно в современном мире.

Системы автоматизации зданий

Системы автоматизации зданий и операторы, управляющие ими, заботятся о максимальной оптимизации функционирования и эксплуатации здания, о наибольшей экономичности, экологичности и, следовательно, о снижении расходов по его обслуживанию. Система автоматизации надежно следит за выполнением алгоритмов работы климатического оборудования.

Функциональное назначение системы автоматизации - оптимизация жизнеобеспечения здания, продление срока его службы, ограничение максимальных нагрузок по энергопотреблению, а также информирование владельца здания о тенденциях эксплуатации оборудования, действующих параметрах и изменениях их состояний.

Решение этих задач возложено на систему автоматизации зданий, без которой работу инженерного оборудования здания нельзя было бы оптимизировать.

Система автоматизации зданий располагает инструментами, необходимыми для отслеживания потребления зданием энергии и коммунальных расходов, для мониторинга экологического состояния здания, неисправностей в работе инженерного оборудования и ведения отчетности о событиях. Одновременно система автоматизации здания служит механизмом для его управления, анализируя текущее состояние и пути его оптимизации.

Если такая система соответствует международным стандартам DIN EN ISO 16484, она может быть названа системой автоматизации зданий, (DIN EN ISO 16484-2, 3.31).

Прежде чем мы перейдем к BACnet, его характерным особенностям и достоинствам, необходимо понимать, что скрывается внутри системы автоматизации здания. Не стоит рассматривать автоматизацию здания как самостоятельное явление, ведь это всего лишь скрытый механизм здания.

Автоматизация зданий (Building Automation) отличается от домашней автоматизации (Home Automation) и промышленной автоматизации специфической областью применения, и в частности, протоколом обмена данными - BACnet.

Для автоматизации в промышленности или домашней автоматизации используется большое количество различных протоколов, в то время как автоматизация зданий базируется на одном единственном унифицированном протоколе, утвержденном международным стандартом DIN EN ISO 16484. Для тех, кто строит здания и инвестирует средства в их строительство, этот стандарт означает надёжность капиталовложений. Конечно, для отдельных задач существуют специальные протоколы, которые интегрируются в систему автоматизации здания. Среди них можно отметить протоколы: KNX (EIB) для инженерных систем здания, LonMark для комплексной автоматизации помещений, M_Bus для измерения потребления энергоресурсов и биллинговых систем, а также PROFIBUS или MODBUS и другие протоколы. Все они осуществляют целенаправленный обмен информацией и с течением времени совершенствуются и развиваются.

Системы освещения, охранной сигнализации, видеонаблюдения, общего энергообеспечения ориентированы на интеграцию в единую систему BACnet, где совместными усилиями экспертов разрабатываются правила общей работы различных подсистем и оборудования (interoperablity).

В последнее время часто используется понятие «открытая система». Как показывает опыт, для рационального взаимодействия различных частей системы методология коммуникации необходима (например, протокол обмена данными через шину), но ее явно недостаточно. В действительности различные механизмы, системы и приборы должны в первую очередь не просто общаться друг с другом, но и быть настроены на совместную работу. При этом другие варианты выбора, кроме международного стандарта BACnet, принципиальное теряют в своей «открытости». Максимально слаженное функционирование и совместимость различных частей и уровней системы в обозримом будущем возможно только внутри систем одного производителя от известных брендов. Единая система «подключи и работай» остается пока еще утопией (даже с унифицированным протоколом).

Мультивендорные проекты автоматизации зданий, в которых участвуют различные производители автоматики, требуют однозначных и ясных условий координации совместной работы их оборудования, функционирования и обслуживания, поскольку поставщики разных частей и оборудования одной системы порой не заключают никаких контрактов или соглашений между собой, а только с Заказчиком, которых строит здание.

Системная интеграция

Уже на этапе проектирования здания закладываются решения по интеграции разных частей системы, выясняется их совместимость. Здесь особая роль отводится стандарту, посвященному функциям системы автоматизации здания, из которых могут быть скомбинированы специфические решения для данного проекта, а уже на их основе ведется дальнейшее совершенствование системы. При этом не надо будет «изобретать колесо» заново.

Нормированные функции системы автоматизации здания позволяют эффективно взаимодействовать проектировщикам и тем, кто будет реализовывать проект (функции системы автоматизации здания собраны в стандарте Союза немецких инженеров VDI 3814). Нормированные «стандартные объекты» (например, для обмена данными) - это наиболее важный компонент для описания интерфейсов устройств, чтобы они могли работать совместно друг с другом.

Компаниям-застройщикам необходимо уяснить для себя все связанные с этим европейские нормы и законы об ответственности, необходимо знать, когда и за что они несут ответственность и когда от нее свободны. Системный интегратор - это та компания, которая заказывает отдельные части будущей системы, она же несет ответственность за их слаженное функционирование в качестве единого продукта. Часто эту функцию может выполнять сам застройщик, Но к делу «причастны» также и партнеры застройщика, и главный инженер. Системный интегратор обязан отвечать за исправную подготовку и совместное функционирование частей системы автоматизации, как это происходит, например, при сборке автомобилей.

Функции системы автоматизации

Функции систем автоматизации зданий изначально разрабатывались рабочей группой GAEB 070 для стандартного перечня спецификаций. Союз немецких инженеров VDI использовал эти списки и инструкции для своих нормативных документов (VDI 3814). Так сформировалась стандартная таблица функций системы автоматизации здания, которая включает в себя функции ввода-вывода, обработки, управления и обслуживания. Раньше таблицу еще называли список точек данных системы.

Использование функций в данной таблице описано в международных стандартах и в стандарте VDI 3814-1: 2005.

Европейская BACnet Ассоциация BIG_EU публикует в своем журнале «BACnet Europe» № 4-2006 таблицу соответствия типов объектов из стандарта BACnet и функций системы автоматизации здания из стандарта VDI 3814. Не пытайтесь самостоятельно интерпретировать инструкции и технические перечни по функциям системы автоматизации. Обратитесь к официальным источникам и нормативным документам: DIN EN ISO 16484-3: 2005, VDI 3814-1: 2005 (с прилагающимся списком функций на СD).

Стандарт BACnet

На сегодня BACnet действительно является единственным стандартизированным коммуникационным протоколом для автоматизации зданий, обеспечивающим интер операбельность ее подсистем. Протокол описывает способы передачи данных (двоичный вход/выход, аналоговый и цифровой). Также протокол отвечает за выбор и способ скорости передачи информации, за защиту данных и систему адресации и распределения информационных точек. Протокол BACnet развивался самостоятельно, независимо от аппаратной части (hardware), что и отличает его от прочих, также нормированных и стандартизированных коммуникационных протоколов и шинных систем передачи данных. Поэтому BACnet подходит любому производителю оборудования для автоматизации здания и может быть использован без специальной лицензии. Все эти условия зафиксированы в стандарте BACnet, в главе «Протокол». Понятие стандарт BACnet часто употребляется в отношении Части 5 международного стандарта «DIN EN ISO 16484». Комплекс стандартов ISO 16484 посвящен описанию аппаратных средств (Часть 2) и описанию функций систем автоматизации (Часть 3).

В результате тщательной работы группы экспертов и инженеров появился новый протокол передачи данных, независимый от производителей оборудования - BACnet, способствующий интероперабельной работе подсистем здания. Права на стандарт BACnet принадлежат ассоциации ASHRAE (Американское общество инженеров по отоплению, охлаждению и кондиционированию воздуха), американского аналога Союза немецких инженеров VDI. Американские специалисты с самого начала работы над стандартом привлекали заинтересованных экспертов из Европы. В итоге европейский стандарт KNX (EIB) стал частью стандарта BACnet. Ассоциации ASHRAE и VDI поддерживают разработку стандарта BACnet и проведение обучающих курсов.

Целью всей работы была реализация совместимости и интегрированности элементов системы между собой и между системами разных производителей. Взаимная интеграция происходит через применение единых подходов к унификации технических данных, согласованию функций и внедрению соответствующих связующих на стыках разнородных элементов. Стандарт BACnet уже давно мог бы стать мировым стандартом в автоматизации зданий, коммерчески выгодным и универсальным, если бы рыночная политика ведущих компаний была построена по-другому.

Таким образом, BACnet - это и не система, и не устройство, это предпосылка к развитию для производителей оборудования, уместившаяся в основе нормативного документа на 600 страницах. В рамках BACnet можно развивать и изобретать новые системы автоматизации зданий. Последняя версия стандарта BACnet существует в 1-й версии и 4-й редакции, то есть в документ вносятся только дополнения и расширения. Дополнением к стандарту BACnet служит международный стандарт DIN EN ISO 16484-6, отвечающий за проверку оборудования на совместимость и соответствие протоколу BACnet.

Сертификация

Одновременно с работой над стандартом BACnet велась подготовка нормативного документа DIN EN ISO 16484 «Методология тестирования на соответствие коммуникации данных» Теперь проверкой совместимости BACnet оборудования могут заниматься независимые эксперты.

Ассоциация производителей BACnet-оборудования BMA соединилась с ассоциацией BIG-NA в единую организацию «BACnet International». Их общая цель - независимая экспертиза совместимости BACnet-оборудования. Так возникла независимая организация «BACnet Testing Laboratory» (BTL - лаборатория по тестированию BACnet оборудования), чья задача - разрабатывать тесты на совместимость и применять эти тесты к различным составляющим BACnet-системы. Если проверка пройдена, элемент системы (устройство) получает знак «ВTL», который действителен только при наличии специального подтверждающего документа.

В США сертификация означает не совсем то же, что в Европе. Поэтому в Америке для устройств, удачно прошедших проверку, существует специальные перечни и номенклатура (listings), в Европе же товар получает сертификат. Европейским тестированием BACnet занимается независимая организация «BACnet Testlabor» в WSP Лаборатории доктора технических наук Харальда Биттера в Штуттгарте, где регулярно проходят европейские технические BACnet-семинары.

Из чего состоит стандарт BACnet

Архитектура протокола BACnet описывается после определения ключевых понятий и установления области применения данного нормативного документа.

Документация стандарта BACnet описывает строение всей системы и технические параметры ее составных частей (эталонная модель OSI , меры безопасности в системе, расположение коммуникационных сетей в здании).

Физические уровни, служащие транспортом для передачи данных:

A) Ethernet (ISO 8802-3);
b) ARCnet;
c) MS/TP (Master/Slave Token Passing RS 485);
d) RS 232C для соединения через модем;
e) LonTalk от компании Echelon;
f) BACnet/IP.

Возможно также, что к этому списку вскоре присоединятся беспроводные технологии ZigBee и Bluetooth.

Стандартный набор элементов протокола BACnet:

1. Типы объектов для коммуникации, чтобы описывать значение передаваемых сообщений для достижения интер операбильности. Они служат для правильной интерпретации действительной функции приложения.
2. Коммуникационные сервисы, чтобы получать напрямую доступ к данным и размещать команды для устройств системы автоматизации. Включает в себя сервисы отправки тревожных сообщений и событий, доступ к файлам, сервисы доступа к объекту и сервисы управления устройством/сетью.
3. Средства функций для определения приоритетов команд и сообщений, для сохранения и восстановления системы, автоматической настройки устройства и объекта, а также для Web-сервисов.

В приложении стандарт BACnet имеет много дополнений, среди которых стандарт EIB/KNX и BACnet/IP. Для более удобной сертификации BACnet-устройств и их деление на классы были созданы так называемые BIBBs - блоки построения BACnet совместимости (BACnet Interoperability Building Blocks). В дальнейшем планируется развивать в стандарте службы и процедуры защиты данных, ввести в действие систему паролей и приспособить BACnet для так называемой «открытой коммуникации». Также разработчики BACnet собираются приспособить систему к элементам IT технологий: «ERP» (система управления предприятием) на базе Web сервисов, XML (Extensible Markup Language), SOAP (Simple Object Access Protocol) и HTTP (Hypertext Tranfer Protocol).

Объекты коммуникации

В протоколе BACnet-объекты и их свойства - самая главная часть стандарта, ведь именно эта часть определяет и описывает значение данных, которые передаются по сети. Данные отображаются одинаково и для пользователя, и для программного обеспечения. Это коренным образом отличает BACnet от других коммуникационных протоколов. Объекты в BACnet обладают набором свойств (properties), описываемых определенным способом для последующей интерпретации в работе системы автоматизации.

В стандарт BACnet входили 28 различных объектов коммуникации. Объект «Device_Object» обладает свойствами, относящимися к аппаратной части и описывает коммуникационные особенности оборудования.

Нормативный документ предписывает каждому из объектов определенный набор свойств для возможности максимальной интеграции. Все дополнительные свойства объектов увеличивают способность оборудования системы к взаимодействию, если они равным образом применяются всеми сторонами, участвующими в интеграции. Обязательное требование ко всем составляющим системы - взаимная интеграция и приспособляемость. Эта задача решается с использованием BIBBs.

Коммуникационные службы

Данные по сети доставляются коммуникационными службами. Из них наиболее распространённые - «чтение» (read) и «запись» (write). Те устройства-участники коммуникации, чьи данные передаются и используются другими, называются «серверами» (server). Типичные серверы, к примеру, - сенсоры или станции автоматизации, если они собирают и передают информацию другим объектам коммуникации. Партнеры серверов по коммуникации, запрашивающие и получающие данные, называются «клиентами».

Коммуникационные сети

Согласно инструкциям VDI по распределению функций систем автоматизации зданий, на разных уровнях функционирования системы были созданы и оптимизированы сети, передающие данные. Решения на Ethernet с протоколом IP дешевеют и унифицируются, а их продукты становятся мульти-функциональными. Если мы сравним сеть автоматизации здания и полевую сеть, увидим, что схема действия - прежняя, меняются лишь отдельные сегменты сети. При связи системы автоматизации здания с офисной рабочей сетью необходимо определить сетевые сегменты с высокой степенью защиты, иначе могут произойти опасные нарушения, которые мы часто можем видеть в повседневной офисной жизни.

В системе BACnet важнейшие элементы сети - маршрутизаторы и шлюзы. Маршрутизаторы структурируют сеть, задают ее топологию и передают сообщения между различными типами сетей, причем содержание сообщений при этом не меняется. Шлюзы модифицируют коммуникационные особенности разных сетей, приспосабливая сети друг к другу и к протоколу BACnet. Например, продукты LonMark c BACnet практически несовместимы, их можно связать и заставить работать совместно только через шлюз. Благодаря ему LonTalk может использоваться протоколом ВACnet среди прочих физических сред передачи данных.

BACnet с самого момента своего создания имел возможность использовать Интернет. Станции автоматизации соединяются посредством BACnet/IP с современными web-серверами и программным обеспечением, а обычный браузер может быть использован для нужд автоматизации здания.

«Родной» BACnet (native)

Все чаще применительно к системам автоматизации зданий можно услышать термин «родная» BACnet-система. Это понятие нигде не регламентировано и потому требует проверки.

Стандарт VDI-TGA/BIG-EU предписывает следующее:

A) BACnet - это система, приспособленная для гибкого развития в будущем, постоянно действующая и доступная, приспосабливающаяся к изменениям;
b) BACnet не требует никаких дополнительных приспособлений (устройств) и издержек на услуги;
c) все необходимые типы BACnet-объектов, свойств и служб имеются в наличии;
d) для коммуникации «родного» BACnet c другими системами необходим шлюз.

Преимущества BACnet

1. BACnet изначально создавался специально для автоматизации зданий.

Нейтральным образом он описывает пути создания интер операбильности для таких важных функций как:
- журнал трендов;
- расписание и календарь процессов;
- тревожные сообщения и напоминания о событиях;
- маршрутизация тревожных сообщений и подтверждения внутри сети;
- механизм разделения приоритетов команд;
- группирование по функциям ввода/вывода;
- установка параметров цикла управления.
2. BACnet не зависит от работы компьютера или каких-то сетевых технологий. Протокол BACnet реализуется на программном обеспечении от производителей оборудования, при этом никакое специальное оборудование не требуется: BACnet объекты и сервисы не зависят от сетевых технологий, BACnet Web-сервисы позволяют осуществить взаимодействие системы автоматизации зданий с системой управления предприятием.
3. BACnet не требует построения жесткой архитектуры сети. Конфигурация сети может быть плоской, связь может проходить через «одноранговую» шину, а может быть и иерархичной (в виде пирамиды).
4. В BACnet системе интер операбильность имеет гораздо большую функциональность, чем в системах с другими известными «открытыми» протоколами.

BACnet легко масштабируется и расширяется новыми составляющими, такими как:

Аккумулятор (Accumulator);
- преобразователь импульсов (Pulse converter);
- усреднитель значений (Averaging);
- сигнализатор опасности (Life Safety Point);
- зона безопасности (Life Safety Zone);
- регистрация мульти трендов (Trendlog Multiple);
- журнал регистрации событий (Eventlog).
5. Уже разрабатываются новые типы BACnet объектов для:
- управления освещением;
- видеонаблюдения;
- контроля доступа;
- обмена данными между системой автоматизации здания и энергоснабжающими компаниями.
6. BACnet внедряется в системах любого размера, например, программируемые станции автоматизации широкого назначения, станции автоматизации с ограниченными ресурсами, специфические блоки управления и устройства (например, VAV-блоки), отдельные регуляторы помещения, веб-серверы и веб-службы, анализаторы протоколов и инструменты для инжиниринга.
7. ASHRAE владеет правами, продвигает и обслуживает стандарт BACnet, при сотрудничестве с родственными организациями в Европе, России и Азии. Международные организации ISO и CEN предоставили протоколу BACnet статус международного стандарта.

Также представители локальных BACnet-ассоциаций вносят вклад в его развитие:

BIG-AA (BACnet ассоциация Азия-Австралия);
- BIG-EU (Европейская BACnet ассоциация с подразделениями в Финляндии, Франции, Польше и Швеции);
- BIG-ME (BACnet ассоциация на Ближнем Востоке);
- BIG-NA (Североамериканская BACnet ассоциация / BACnet International);
- BIG-RU (Российская BACnet ассоциация);
- Следующая BACnet ассоциация будет создана в Китае.

8. Все больше компаний производят оборудование, совместимое с BACnet: уже более 200 фирм из 21 страны.
9. Интерес к BACnet во всем мире растет. Доказательством тому служит тот факт, что число инсталляций BACnet-систем достаточно велико и покрывает все континенты. По информации за 2003 г.: 33000 зданий с миллионами точек данных в 82 государствах; из них более 6000 проектов - мультивенторные.
10. За пользование BACnet не надо платить ни лицензионных, ни абонентских взносов. Любая компания-производитель может применять решения BACnet. Исключение составляет случай, когда передача данных происходит поверх протокола LonTalk, права на который принадлежат корпорации Echelon. В этом случае соответствующий адрес указан в стандарте BACnet.

Внедрение BACnet на основе тендера

Сегодня внедрение любых технических инноваций происходит на основе конкурса или тендера, что обеспечивает свободную конкуренцию, обмен информацией и сохраняет деньги и время Заказчика. Тендер для систем автоматизации зданий проводится на основании стандарта DIN 18386 -«Общие технические условия договора». Объявлять тендер целесообразно, ведь Заказчику будет предложено множество систем и различных технических решений. Это разнообразие невозможно унифицировать, так что Заказчик делает выбор, ознакомившись со всеми техническими и функциональными характеристиками и особенностями предложений.

Для отдельных элементов систем автоматизации и сетей также объявляется конкурс, для чего необходимо четко прописать весь «функционал» предлагаемых решений. Для автоматизации зданий имеется стандарт VOB/C DIN 18386 «Общетехнические условия договора» с установленными функциями системы автоматизации здания, используется также стандарт VDI 3814. Для описания производительности системы автоматизации здания используется стандарт VOB/A § 9 абз. 10. Для участков системы автоматизации здания эффективная конкуренция производителей систем может быть гарантирована только функциональной частью с приложенным перечнем производительности.

Стандарт VDI-3814 (DIN EN ISO 16484-3: 2005) более всего применим для того, чтобы при интеграции в систему новых элементов избежать дублирования уже имеющихся данных и системных компонентов. В системе не должно быть ничего лишнего, ничего не должно повторяться дважды без необходимости - ни данных, ни приборов, ни лицензий на программное обеспечение.

Каждый новый проект внедрения системы автоматизации здания требует нового свода технических инструкций и функциональных характеристик. Под каждый новый проект создается полный технический паспорт с подробным перечнем всех системных элементов. Поэтому перечень работ и услуг в стандарте VOB/C DIN 18386 избегает обобщений и «некалькулируемых» показателей.

Отказ от использования функций системы автоматизации здания из стандарта VDI 3814означает, что перечень работ и услуг остаётся не вполне достоверным и открытым, так что до конца не ясно, как же должна функционировать данная система. Нет четкого договора, технические характеристики можно трактовать по-разному. Спорные случаи обычно разбираются в судах. Если Заказчик недоволен, немедленно следует призыв к «открытой коммуникации», то есть к смене производителя.

Материал темы лекции содержит содержание следующих вопросов: структура АСУТП; назначение, цели и функции АСУТП; примеры информационных и управляющих АСУТП; основные разновидности АСУ ТП; состав АСУ ТП.

Структура АСУТП. См. также содержание лекций 1, 2,3.

При построении средств современной промышленной автоматики (обычно в виде АСУ ТП) используется иерархическая информационная структура с применением на разных уровнях вычислительных средств различной мощности. Примерная общая современная структура АСУ ТП показана на рисунке 14.1:

ИП - измерительные преобразователи (датчики),

ИМ - исполнительные механизмы,

ПЛК - программируемый логический контроллер,

ПрК - программируемый (настраиваемый) контроллер,

ИнП- интеллектуальные измерительные преобразователи,

ИнИМ - интеллектуальные исполнительные устройства,

Модем - модулятор/демодулятор сигналов,

ТО - техническое обеспечение (аппаратная часть, «железо»),

ИО - информационное обеспечение (базы данных),

ПО - программное обеспечение,

КО - коммуникационное обеспечение (последовательный порт и ПО).

ПОпл - программное обеспечение пользователя,

ПОпр - программное обеспечение производителя,

Инд - индикатор.

Рисунок 14.1 - Типовая функциональная схема современной АСУ ТП.

В настоящее АСУ ТП обычно реализуются по схемам:

1. 1-уровневой (локальная система), содержащей ПЛК, или моноблочный настраиваемый контроллер (МНК) обеспечивающие индикацию и сигнализацию состояния контролируемого или регулируемого ТП на передней панели,

2. 2-уровневой (централизованная система), включающих :

1. На нижнем уровне несколько ПЛК с подключенными к ним датчиками и исполнительными устройствами,

2. На верхнем уровне - одна (возможно несколько) операторских (рабочих) станций (автоматизированных рабочих мест (АРМ) оператора).

Обычно рабочая станция или АРМ - это ЭВМ в специальном промышленном исполнении, со специальным программным обеспечением, - системой сбора и визуализации данных (SCADA-системы).

Типовая функциональная схема одноуровневой АСУ ТП показана на рисунке 14.2

Рисунок 14.2 - Типовая функциональная схема одноуровневой системы автоматического управления САУ.

Основные функции элементов:

1. Прием дискретных сигналов от преобразователей технологического оборудования,

2. Аналого-цифровое преобразование (АЦП) аналоговых сигналов, поступающих на входы из преобразователей,

3. Масштабирование и цифровая фильтрация данных после АЦП,

4. Обработка принятых данных по программе функционирования,

5. Генерация (в соответствии с программой) управляющих дискретных сигналов и подача их на исполнительные устройства,

6. Цифро-аналоговое преобразование (ЦАП) выходных информационных данных в выходные аналоговые сигналы,

7. Подача управляющих сигналов на соответствующие исполнительные устройства,

8. Защита от потери работоспособности из-за зависания процессора с помощью сторожевого таймера,

9. Сохранение работоспособности при временном отключении электропитания (за счет источника бесперебойного питания с аккумулятором достаточной емкости),

10. Контроль за работоспособностью датчиков и достоверностью измеренных величин,

11. Индикация текущих и интегральных значений измеряемых величин,

12. Контрольная сигнализация состояния управляемого процесса,

13. Контрольная световая и символьная сигнализация состояния контроллера,

14. Возможность конфигурации (настройки параметров) через ПК подключаемый, к специальному порту.

Преобразователи (Пр):

1. Преобразование значения измеряемой величины (температуры, давления, перемещения и т.д.) в непрерывный или импульсный (для счетных входов ПЛК) электрический сигнал.

Исполнительные устройства (ИУ):

1. Преобразование управляющих электрических непрерывных или импульсных сигналов в механическое перемещение исполнительных механизмов, электронное управление током в силовых цепях и т.д.

Устройство согласования (при необходимости):

1. Гальваническая или другие виды развязки между ПЛК и исполнительными устройствами (ИУ),

2. Согласование допустимых значений выходного тока управляющих каналов ПЛК и тока, необходимого для нормальной работы ИУ.

При недостаточном числе каналов одного ПЛК используется схема распределенного ввода/вывода с использованием других (управляемых, ведомых ПЛК) или дополнительных контроллеров (модулей) ввода/вывода.

Типовая функциональная схема одноуровневой АСУ ТП с распределенным вводом/выводом показана на рисунке 14.3:

Рисунок 14.3 - Типовая функциональная схема одноуровневой АСУ ТП с распределенным вводом/выводом

Типовая функциональная схема 2-уровневой АСУТП показана на рисунке 14.4.

Рисунок 14.4 - Типовая функциональная схема 2-уровневой АСУТП

Все ПЛК и АРМы объединены промышленной информационной сетью, обеспечивающей непрерывный обмен данными. Преимущества: позволяет распределить задачи, между узлами системы, повысив надежность ее функционирования.

Основные функции нижнего уровня:

1. Сбор, электрическая фильтрация и АЦП сигналов с преобразователей (датчиков);

2. Реализация локальных АСУ технологического процесса в объеме функций ПЛК одноуровневой системы;

3. Реализация аварийной и предупредительной сигнализации;

4. Организация системы защит и блокировок;

5. Обмен текущими данными с ПК верхнего уровня через промышленную сеть по запросам ПК.

Основные функции верхнего уровня:

1. Визуализация состояния технологического процесса;

2. Текущая регистрация характеристик технологического процесса;

3. Оперативный анализ состояния оборудования и технологического процесса ;

4. Регистрация действий оператора, в том числе при аварийных сообщениях;

5. Архивация и длительное хранение значений протоколов технологического процесса;

6. Реализация алгоритмов «системы советчика»;

7. Супервизорное управление;

8. Хранение и ведение баз данных:

Параметров техпроцессов,

Критических параметров оборудования,

Признаков аварийных состояний технологического процесса ,

Состава допускаемых к работе с системой операторов (их паролей).

Таким образом, нижний уровень реализует алгоритмы управления оборудованием, верхний - решение стратегических вопросов функционирования. Например, решение включить или выключить насос принимается на верхнем уровне, а подача всех необходимых управляющих сигналов, проверка состояния насоса, реализация механизма блокировок выполняется на нижнем уровне.

Иерархическая структура АСУ технологического процесса подразумевает:

1. Поток команд направлен от верхнего уровня к нижнему,

2. Нижний отвечает верхнему по его запросам.

Это обеспечивает предсказуемое поведение ПЛК при выходе из строя верхнего уровня или промышленной сети, поскольку такие неисправности воспринимаются нижним уровнем как отсутствие новых команд и запросов.

При конфигурации ПЛК устанавливается: до какого времени после получения последнего запроса ПЛК продолжает функционировать, поддерживая последний заданный режим, после чего переходит в нужный при данной аварийной ситуации режим работы.

Например, структура организации АСУТП некоторого производства бетона на бетоносмесительных установках по логике построения можно разделить на два основных уровня:

Нижний уровень - уровень реализации задачи на базе промышленных контроллеров (PLC);

Верхний уровень - уровень реализации задачи визуализации процессов, происходящих при производстве бетона на БСУ (SCADA).

На нижнем уровне система решает следующие основные задачи:

Сбор первичной информации с исполнительных узлов БСУ;

Анализ собранной информации;

Отработка логики технологического процесса при производстве бетона с учетом всех современных требований;

Выдача управляющих воздействий на исполнительные устройства.

На верхнем уровне система решает другие задачи:

Визуализация основных технологических параметров с БСУ (состояние исполнительных органов, ток потребления миксера, вес дозируемых материалов и т.д.);

Архивирование всех параметров процесса производства бетона;

Выдача команд на воздействие исполнительными органами БСУ;

Выдача команд на изменение параметров внешних воздействий;

Разработка и хранение рецептур бетонных смесей.

Назначение АСУТП. АСУТП предназначена для выработки к реализации управляющих воздействий на технологический объект управления.

Технологический объект управления (АСУТП) представляет собой совокупность технологического оборудования и реализованного на нем по соответствующим инструкциям или регламентам технологического процесса производства продуктов, полупродуктов, изделий или энергии,

К технологическим объектам управления относятся:

Технологические агрегаты и установки (группы станков), реализующие самостоятельный технологический процесс;

Отдельные производства (цехи, участки), если управление этим производством носит, в основном, технологический характер, то есть заключается в реализации рациональных режимов работы взаимосвязанного технологического оборудования (агрегатов, участков).

Совместно функционирующие ТОУ и управляющая ими АСУТП образуют автоматизированный технологический комплекс (АТК). В машиностроении и других дискретных производствах в качестве АТК выступают гибкие производственные системы (ГПС).

Термины АСУТП, ТОУ и АТК должно употребляться только в приведенных сочетаниях. Совокупность других систем управления с управлением ими технологическим оборудованием не является АТК. Система управления в других случаях (не в АТК) не является АСУТП и т.д. АСУТП - это организационно-техническая система управления объектом в целом в соответствии с принятым критерием (критериями) управления, в которой сбор и обработка необходимой информации осуществляется с применением средств вычислительной техники.

Приведенная формулировка подчеркивает:

Во-первых, использование в АСУТП современных средств вычислительной техники;

Во-вторых, роль человека в системе как субъекта труда, принимающего содержательное участие в выработке решений по управлению;

В-третьих, что АСУТП - это система, осуществляющая обработку технологической и технико-экономической информации;

В-четвертых, что цель функционирования АСУТП заключается в оптимизации работы технологического объекта управления в соответствии с принятым критерием (критериями) управления путем соответствующего выбора управляющих воздействий.

Критерий управления в АСУТП - это соотношение, характеризующее степень достижения целей управления (качество функционирования технологического объекта управления в целом) и принимающее различные числовые значения в зависимости от ис-пользуемых управляющих воздействий. Отсюда следует, что критерий обычно является технико-экономическим (например, себестоимость выходного продукта при заданном его качестве, производительность ТОУ при заданном качества выходного продукта и т.п.) или техническим показателем (параметра процесса, характеристики выходного продукта).

В случае, если ТОУ управляется АСУТП, весь участвующий в управлении оперативный персонал ТОУ и все средства управления, предусмотренные документацией на АСУТП и взаимодействующие при управлении ТОУ, входят в состав системы, независимо от того, каким путем (нового строительства или модернизации системы управления) создавался АТК.

АСУТП создается путем капитального строительства, т.к. независимо от объёма поставки для её ввода в действие, необходимо проведение строительно-монтажных и наладочных работ на объекте.

АСУТП как компонент общей системы управления промышленным предприятии предназначена для целенаправленного ведения технологических процессов и обеспечения смежных и вышестоящих систем управления оперативной и достоверной технико-экономической информации. АСУТП созданные для объектов основного и (или) вспомогательного производства, представляют собой низовой уровень автоматизированных систем управления на предприятии.

АСУТП могут использоваться для управления отдельными производствами, включающими в свой состав взаимосвязанные ТОУ, в том числе управляемые собственными АСУТП низового уровня.

Для объектов с дискретным характером производства в состав гибких производственных систем могут включаться автоматизированные системы технологической подготовки производства (или их соответствующие подсистемы) и системы автоматизированного проектирования технология (САПР-технология).

Организация взаимодействия АСУТП с вышестоящими уровнями управления определяется наличием на промышленном предприятии автоматизированной системы управления предприятием (АСУП) и автоматизированных систем оперативно-диспетчер-ского управления (АСОДУ).

При их наличии АСУТП в совокупности с ними образуют интегрированную автоматизированную систему управления (ИАСУ). В этом случае АСУТП получает от соответствующих подсистем АСУП или служб управления предприятием непосредственно или через ОСОДУ задания и ограничения (номенклатуру подлежащих выпуску продуктов или изделий, объем производства, технико-экономические показатели, характеризуете качество функционирования АТК, сведения о наличии ресурсов) и обеспечивает подготовку и передачу этим системам необходимой для их работы технико-экономической информации, в частности о результатах работы АТК, основных показателях выпускаемой продукции, оперативной потребности в ресурсах, состоянии АТК (состоянии оборудования, ходе технологического процесса, его технико-экономи-ческих показателях и т.п.),

При наличии на предприятии автоматизированных систем технической и технологической подготовки производства должно быть обеспечено необходимое взаимодействие АСУТП с этими системами. При этом АСУТП получат от них техническую, технологическую и другую информацию, необходимую для обеспечения заданного проведения технологических процессов, и направляют в названные системы фактическую оперативную информацию, необходимую для их функционирования.

При создании на предприятия комплексной системы управления качеством продукции автоматизированные системы управления технологическими процессами выступают в роли ее исполнительных подсистем, обеспечивающих заданное качество продукции ТОУ и подготовку оперативной фактической информации о ходе технологических процессов (статистический контроль и т.д.)

Цели и функции АСУТП.

При создании АСУТП должны быть определены конкретные цели функционирования системы и ее назначение в общей структуре управления предприятия.

Примерами таких целей могут служить:

Экономия топлива, сырья, материалов и других производственных ресурсов;

Обеспечение безопасности функционирования объекта;

Повышение качества выходного продукта или обеспечение заданных значений параметров выходных продуктов (изделия);

Снижение затрат живого труда;

Достижение оптимальной загрузки (использования) оборудо-вания;

Оптимизация режимов работы технологического оборудования (в том числе маршрутов обработки в дискретных производствах) и т.д.

Достижение поставленных целей осуществляется системой посредством выполнения совокупности ее функций .

Функция АСУТП представляет собой совокупность действий системы, обеспечивающих достижение частной цели управления.

При этом под совокупностью действий системы понимают описанную в эксплуатационной документации последовательность операций и процедур, выполняемых элементами системы для ее реализации.

Частная цель функционирования АСУТП - цель функциониро-вания или результат ее декомпозиции, для которой удается оп-ределить полную совокупность действий элементов системы, до-статочную для достижения этой цели.

Функции АСУТП по направленности действий (на-значение функции) делятся на основные и вспомогательные , а по содержанию этих действий - на управляющие и информацион-ные.

К основным (потребительским) функциям АСУТП от-носятся функции, направленные на достижение целей функциони-рования системы, осуществляющие управляющие воздействия на ТОУ и (или) обмен информацией со смежными сис-темами управления. Обычно к ним относят также информационные функции, обеспечивающие оперативный персонал АТК информацией, необходимой ему для управления технологическим процессом про-изводства.

К вспомогательным функциям АСУТП относятся функции, направленные на достижение необходимого качества функционирования (надежности, точности и т.п.) системы, реализующие контроль и управление ее работой.

К управляющим функциям АСУТП относятся функции, содержанием каждой из которых является выработка и реализация управляющих воздействий на соответствующем объекте управления - ТОУ или его часть для основных функций и на АСУТП или ее часть для вспомогательных.

Например :

Основные управляющие функции;

Регулирование (стабилизация) отдельных технологических переменных;

Однотактное логическое управление операциями или аппа-ратами (защиты);

Программное логическое управление технологическими ап-паратами;

Оптимальное управление ТОУ;

Адаптивное управление ТОУ и т.п.;

Вспомогательные управляющие функции;

Реконфигурация вычислительного комплекса (сети) АСУТП;

Аварийное отключение оборудования АСУТП;

Переключение технических средств АСУТП на аварийный ис-точник питания и т.п.

К информационным функциям АСУТП относятся функ-ции, содержанием каждой из которых является получение и преобразования информации о состоянии ТОУ или АСУТП и ее пред-ставление в смежные системы или оперативному персоналу АТК.

Например, основные информационные функции:

Контроль и измерение технологических параметров;

Косвенное измерение параметров процесса (внутренних переменных, технико-экономических показателей);

Подготовка и передача информации в снежные системы уп-равления и т.п.;

Вспомогательные информационные функции:

Контроль состояния оборудования АСУТП;

Определение показателей, характеризующих качество функционирования АСУТП или её частей (в частности оперативного персонала АСУТП) и т.п.

Основные разновидности АСУ ТП Различает два режима реализации функций системы: автоматизированный и автоматический - в зависимости от степени участия людей в выполнении этих функций. Для управлявших функций автоматизированный ре-жим характеризуется участием человека в выработке (принятии) решений и их реализации.

При этом различают следующие вари-анты:

- «ручной » режим, при котором комплекс технических средств представляет оперативному персоналу контрольно-изме-рительную информации о состоянии ТОУ, а выбор и осуществле-ние управляющих воздействий дистанционно или по месту произ-водит человек-оператор;

Режим «советчика », при котором комплекс технических, средств вырабатывает рекомендации по управлению, а решение об их использовании реализуется оперативный персоналом;

- «диалоговый режим », когда оперативный персонал имеет возможность корректировать постановку и условия задачи, решаемой комплексом технических средств системы при выработке рекомендаций по управлению объектом;

- «автоматический режим », при котором функция управления осуществляется автоматически (без участия человека).

При этом различают:

Режим косвенного управления, когда средства вычислительной техники изменяют уставки и (или) параметры настройки локальных систем автоматического управления (регулирования) (супервизорное или каскадное управление);

Режим прямого (непосредственного) цифрового управления (НЦУ ), когда управляющее вычислительное устройство непосредственно воздействует на исполнительные механизмы.

Дня информационных функций автоматизированный режим реализации предусматривает участие людей в операциях по получению и обработке информации. В автоматическом режиме все необходимые процедуры обра-ботки информации реализуется без участия человека.

Рассмотрим несколько подробнее схемы управления в АСУТП.

Управление в режиме сбора данных

После этапа идентификации необходимо выбрать схему управления ТП, которая, как правило, строится с учетом применения принципов управления, определяющих режим функционирования АСУТП. Наиболее простой и исторически первой появилась схема управления ТП в режиме сбора данных . При этом АСУ подсоединяется к процессу способом, выбранным инженером-технологом (рисунок 14.5).

Интересующие инженера-технолога переменные преобразуются в цифровую форму, воспринимаемую системой ввода и помещается в памяти ППК (ЭВМ) . Величины на этом этапе являются цифровыми представлениями напряжения, генерируемого датчиками. Эти величины по соответствующим формулам преобразуются в технические единицы. Например, для вычисления температуры, замеряемой с помощью термопары, может использоваться формула T = A*U 2 + B*U + C, где U - напряжение с выхода термопары; A, B и C - коэффициенты.

Результаты вычислений регистрируются устройствами вывода АСУТП для последующего использования инженером-технологом. Главной целью сбора данных является изучение ТП в различных условиях. В результате инженер-технолог получает возможность построить и (или) уточнить математическую модель ТП, которым нужно управлять. Сбор данных не оказывает прямого воздействия на ТП, в нем нашел осторожный подход к внедрению методов управления, основанных на применении ЭВМ. Однако даже в самых сложных схемах управления ТП система сбора данных для целей анализа и уточнения модели ТП используется как одна из обязательных подсхем управления.

Рисунок 14.5 - Система сбора данных

Этот режим предполагает, что ППК в составе АСУТП работает в ритме ТП в разомкнутом контуре (в реальном времени), т.е. выходы АСУТП не связаны с органами, управляющими ТП. Управляющие воздействия фактически осуществляются оператором-технологом, получающим указания от ППК (рисунок 14.6).

Рисунок 14.6 - АСУТП в режиме советчика оператора

Все необходимые управляющие воздействия вычисляются ППК в соответствии с моделью ТП, результаты вычислений представляются оператору в печатном виде (или в виде сообщений на дисплее). Оператор управляет процессом, изменяя уставки регуляторов. Регуляторы являются средствами поддержания оптимального управления ТП, причем оператор играет роль следящего и управляющего звена. АСУТП играет роль устройства, безошибочно и непрерывно направляющего оператора в его усилиях оптимизировать ТП.

Схема системы советчика совпадает со схемой системы сбора и обработки информации.

Способы организации функционирования информационно-сове-тующей системы следующие:

Вычисление управляющих воздей-ствий производится при отклонениях параметров управляемого процесса от заданных технологических режимов, которые иниции-руются программой-диспетчером, содержащей подпрограмму ана-лиза состояния управляемого процесса;

Вычисление управляющих воздействий инициируется оператором в форме запроса, когда оператор имеет возможность ввести необходимые для расчета дополнительные данные, которые невозможно получить путем измерения параметров управляемого процесса или содержать в системе как справочные.

Эти системы применяют в тех случаях, когда требуется осто-рожный подход к решениям, выработанным формальными мето-дами.

Это связано с неопределенностью в математическом описа-нии управляемого процесса:

Математическая модель недостаточно полно описывает технологический (производственный) процесс, так как учитывает лишь часть управляющих и управляемых параметров;

Математическая модель адекватна управляемому процессу лишь в узком интервале технологических параметров;

Критерии управления носят качественный характер и существенно изменяются в зависимости от большого числа внешних факторов.

Неопределенность описания может быть связана с недостаточ-ной изученностью технологического процесса или реализация адекватной модели потребует применения дорогостоящей ППК.

При большом разнообразии и объеме дополнительных данных общение оператора с ППК строится в форме диалога. Например, в алгоритм вычисления технологического режима включаются альтернативные точки, после которых процесс вычисления может продолжаться по одному из нескольких альтернативных вариан-тов. Если логика алгоритма приводит процесс вычисления к опре-деленной точке, то расчет прерывается и оператору посылается запрос о сообщении дополнительной информации, на основе которой выбирается один из альтернативных путей продолжения расчета. ППК играет в данном случае пассивную роль, связанную с обработкой большого количества информации и ее представле-нием в компактном виде, а функция принятия решений возла-гается на оператора.

Основной недостаток этой схемы управления заключается в постоянном наличии человека в цепи управления. При большом числе входных и выходных переменных такая схема управления не может применяться из-за ограниченных психофизических возможностей человека. Однако управление этого типа имеет и преимущества. Оно удовлетворяет требованиям осторожного подхода к новым методам управления. Режим советчика обеспечивает хорошие возможности для проверки новых моделей ТП; в качестве оператора может выступать инженер-технолог, "тонко чувствующий" процесс. Он наверняка обнаружит неправильную комбинацию уставок, которую может выдать не окончательно отлаженная программа АСУТП. Кроме того, АСУТП может следить за возникновением аварийных ситуаций, так что оператор имеет возможность уделять больше внимания работе с уставками, при этом АСУТП следит за большим числом аварийных ситуаций, чем оператор.

Супервизорное управление.

В этой схеме АСУТП используется в замкнутом контуре, т.е. установки регуляторам задаются непосредственно системой (Рисунок 14.7).

Рисунок 14.7 - Схема супервизорного управления

Задача режима супервизорного управления - поддержание ТП вблизи оптимальной рабочей точки путем оперативного воздействия на него. В этом одно из главных преимуществ данного режима. Работа входной части системы, и вычисление управляющих воздействий мало отличается от работы системы управления в режиме советчика. Однако, после вычисленных значений уставок, последние преобразовываются в величины, которые можно использовать для изменения настроек регуляторов.

Если регуляторы воспринимают напряжения, то величины вырабатываемые ЭВМ, должны быть преобразованы в двоичные коды, которые с помощью цифро-аналогового преобразователя превращаются в напряжения соответствующего уровня и знака. Оптимизация ТП в этом режиме выполняется периодически, напр. один раз в день. Должны быть введены новые коэффициенты в уравнения контуров управления. Это осуществляется оператором через клавиатуру, или считывая результаты новых расчетов, выполненные на ЭВМ более высокого уровня. После этого АСУТП способна работать без вмешательства извне в течение длительного времени.

Примеры АСУТП в супервизорном режиме:

1. Управление автоматизированной транспортно-складской системы. ЭВМ выдает адреса стеллажных ячеек, а система локальной автоматики кранов-штабелеров отрабатывает перемещение их в соответствии с этими адресами.

2. Управление плавильными печами. ЭВМ вырабатывает значения уставок электрического режима, а локальная автоматика управляет переключателями трансформатора по командам ЭВМ.

3. Станки с ЧПУ управление через интерполятор.

Таким образом, супервизорные системы управления функционирующая в режиме супервизорного управления (супервизор — управля-ющая программа или комплекс программ, программа-диспетчер), предназначена для организации многопрограммного режима работы ППК и пред-ставляет собой двухуровневую иерархическую систему, обла-дающую широкими возможностями и повышенной надежностью. Управляющая программа определяет очередность выполнения программ и подпрограмм и руководит загрузкой устройств ППК.

В супервизорной системе управления часть параме-тров управляемого процесса и логико-командного управления управляется локальными автоматическими регуляторами (АР) и ППК, обрабатывая измерительную информацию, рассчитывает и устанавливает оптимальные настройки этих регуляторов. Осталь-ной частью параметров управляет ППК в режиме прямого цифро-вого управления.

Входной информацией являются значения неко-торых управляемых параметров, измеряемых датчиками Ду локальных регуляторов; контролируемые параметры состояния управляемого процесса, измеряемые датчиками Дк. Нижний уровень, непосредственно связанный с технологиче-ским процессом, образует локальные регуляторы отдельных технологических параметров. По данным, поступающим от дат-чиков Ду и Дк через устройство связи с объектом, ППК выраба-тывает значения уставок в виде сигналов, поступающих непосред-ственно на входы систем автоматического регулирования.

Непосредственное цифровое управление.

В НЦУ сигналы, используемые для приведения в действие управляющих органов, поступают непосредственно из АСУТП, и регуляторы вообще исключаются из системы. Концепция НЦУ, при необходимости, позволяет заменить стандартные законы регулирования на т.н. оптимальные с задаваемой структурой и алгоритмом. Например, может реализоваться алгоритм оптимального быстродействия и др.

АСУТП рассчитывает реальные воздействия, и передает соответствующие сигналы непосредственно на управляющие органы. Схема НЦУ показана на рисунке 14.8.

Рисунок 14.8 - Схема непосредственного цифрового управления (НЦУ)

Уставки вводятся в АСУ оператором или ЭВМ, выполняющей расчеты по оптимизации процесса. При наличии системы НЦУ оператор должен иметь возможность изменять уставки, контролировать некоторые избранные переменные, варьировать диапазоны допустимого изменения измеряемых переменных, изменять параметры настройки и вообще должен иметь доступ к управляющей программе.

Одно из главных преимуществ режима НЦУ заключается в возможности изменения алгоритмов управления для контуров простым внесением изменений в хранимую программу. Наиболее очевидный недостаток НЦУ проявляется при отказе ЭВМ.

Таким образом, системы прямого цифрового управления (ПЦУ) или непосредственного цифрового управления (НЦУ, DDC) . ППК непосредственно вырабатывает оптимальные управляющие воздействия и с помощью соответствующих преобразователей передает команды управле-ния на исполнительные механизмы.

Режим непосред-ственного цифрового управления позволяет:

Исключить локальные регуляторы с задаваемой уставкой;

Применять более эффективные принципы регулирования и управления и выбирать их оптималь-ный вариант;

Реализовать оптимизирующие функции и адаптацию к изменению внешней среды и переменным параметрам объекта управления;

Снизить расходы на техническое обслуживание и унифицировать средства контроля и управления.

Этот принцип управления применяют в стан-ках с ЧПУ. Оператор должен иметь воз-можность изменять уставки, контролировать выходные пара-метры процесса, варьировать диапазоны допустимого измене-ния переменных, изменять па-раметры настройки, иметь дос-туп к управляющей программе в подобных системах упрощается реализация режимов пуска и останова процессов, переключение с ручного управления на автоматическое, операции переключения исполнительных механизмов. Основной недостаток подобных систем заключается в том что надежность всего комплекса определяется надежностью устройств связи с объектом и ППК, и при выходе из строя объект теряет уп-равление, что приводит к аварии. Выходом из этого положения является организация резервирования ЭВМ, замена одной ЭВМ системой машин и др.

Состав АСУ ТП.

Выполнение функций АСУТП достигается путем взаимодействия ее следующих составных частей:

Технического обеспечения (ТО),

Программного обеспечения (ПО),

Информационного обеспечения (ИО),

Организационного обеспечения (ОО),

Оперативного персонала (ОП).

Эти пять компонентов и образуют состав АСУТП. Иногда рассматривают и другие виды обеспечения, например лингвистическое, математическое, алгоритмическое, но они рассматриваются как компоненты ПО и т.п.

Техническое обеспечение АСУТП представляет со-бой полную совокупность технических средств (в том числе средств вычислительной техники), достаточную для функциониро-вания АСУТП и выполнения системой всех ее функций. Примечание. Регулирующие органы в состав ТО АСУТП не входят.

Комплекс выбранных технических средств должен обеспечить такую систему измере-ний в условиях функционирования АСУ ТП, которые, в свою очередь, обеспечивают необходимую точность, быстродействие, чувствительность и надежность в соответствии с заданными метрологическими, эксплуатаци-онными и экономическими характеристиками. Технические средства можно группировать по эксплуатационным характеристикам, функциям управления, информационным характеристикам, конструктивному сходству. Наи-более удобной считается классификация технических средств по информационным характеристикам.

В связи со сказанным комплекс технических средств должен содержать:

1) средства получения информации о состоянии объекта управления и средства ввода в систему (вход-ные преобразователи, датчики), обеспечивающие преобразование входной информации в стандартные сигналы и коды;

2) средства промежуточного преобразования информации, обеспечивающие взаимосвязь между устрой-ствами с разными сигналами;

3) выходные преобразователи, средства вывода информации и управления, преобразующие машинную информацию в различные формы, необходимые для управления технологическим процессом;

4) средства формирования и передачи информации, обеспечивающие перемещение информации в про-странстве;

5) средства фиксации информации, обеспечивающие перемещение информации во времени;

6) средства переработки информации;

7) средства локального регулирования и управления;

8) средства вычислительной техники;

9) средства представления информации оперативному персоналу;

10) исполнительные устройства;

11) средства передачи информации в смежные АСУ и АСУ других уровней;

12) приборы, устройства для наладки и проверки работоспособности системы;

13) документационная техника, включающая средства создания и уничтожения документов;

14) конторско-архивная техника;

15) вспомогательное оборудование;

16) материалы и инструмент.

Вспомогательные технические средства обеспечивают выполнение второстепенных процессов управле-ния: копирование, печать, обработку корреспонденции, создание условий нормальной работы управленческого персонала, поддержание технических средств в исправном состоянии и их функционирование. Создание типо-вых АСУ ТП в настоящее время невозможно из-за значительного расхождения организационных систем управ-ления предприятиями.

Технические средства АСУ ТП должны соответствовать требованиям ГОСТов, которые направлены на обеспечение различной совместимости объекта автоматизации.

Эти требования подразделяются на группы:

1. Информационные. Обеспечивают информационную совместимость технических средств между собой и с обслуживающим персоналом.

2. Организационные. Структура управления технологическим процессом, технология управления, техни-ческие средства должны соответствовать друг другу до и после внедрения АСУ ТП, для чего необходимо обес-печить:

Соответствие структур КТС - структуре управления объектом;

Автоматизированное выполнение основных функций, выделение информации, ее передачу, обработку, вывод данных;

Возможность модификации КТС;

Возможность создания организационных систем контроля работы КТС;

Возможность создания систем контроля персонала.

3. Математические. Сглаживание несоответствий работы технических средств с информацией может быть выполнено с помощью программ перекодирования, перевода, пересоставления макетов.

Это обуславливает следующие требования к математическому обеспечению:

Быстрое решение основных задач АСУ ТП;

Упрощение общения персонала с КТС;

Возможность информационной стыковки различных технических средств.

4. Технические требования :

Необходимая производительность для своевременного решения задач АСУ ТП;

Приспособленность к условиям внешней среды предприятия;

Надежность и ремонтопригодность;

Использование унифицированных, серийно выпускаемых блоков;

Простота эксплуатации и обслуживания;

Техническая совместимость средств, основанная на общей элементной и конструкторской базе;

Требования эргономики, технической эстетики.

5. Экономические требования к техническим средствам:

Минимальные капиталовложения на создание КТС;

Минимальные производственные площади для размещения КТС;

Минимальные затраты на вспомогательное оборудование.

6. Надежность АСУ ТП. При рассмотрении технического обеспечения рассматривается и вопрос на-дежности АСУ ТП.

При этом необходимо провести исследования АСУ ТП, выделив следующие моменты:

1) сложность (большое число различных технических средств и персонала);

2) многофункциональность;

3) многонаправленность использования элементов в системе;

4) множественность видов отказов (причины возникновения, последствия);

5) взаимосвязь надежности и экономической эффективности;

6) зависимость надежности от технической эксплуатации;

7) зависимость надежности от КТС и структуры алгоритмов;

8) влияние персонала на надежность.

Уровень эксплуатационной надежности АСУ ТП определяется такими факторами как:

Составом и структурой используемых технических средств;

Режимами, параметрами обслуживания и восстановления;

Условиями эксплуатации системы и ее отдельных компонент;

Программное обеспечение АСУТП представляет собой совокупность программ и эксплуатационной программной документации, необходимую для реализации функций автоматизированной системой управления технологическим процессом заданного режима функционирования комплекса технических средств АСУТП.

Программное обеспечение АСУТП подразделяется на общее прог-раммное обеспечение (ОПО) и специальное программное обеспечение (СПО).

К общему программному обеспечению АСУТП относят ту часть программного обеспечения, которая поставляется в комплек-те со средствами вычислительной техники или приобретается гото-вой в специализированных фондах алгоритмов и программ. В состав ОПО АСУТП входят программы, используемые для разработки программ, компоновки программного обеспечения, организации функционирования вычислительного комплекса и другие служебные и стандартные прог-раммы (например, организующие программы, транслирующие программы, библиотеки стандартных программ и др.). ОПО АСУТП изготавливается и поставляется в виде продукции производственно-технического назначения заводами-изготовителями средств ВТ (см. п.1.4.7).

К специальному программному обеспечению АСУТП относят ту часть программного обеспечения, которая разрабатыва-ется при создании конкретной системы (систем) и включает прог-раммы реализации основных (управляющих и информационных) и вспомогательных (обеспечение заданного функционирования КТС систе-мы, проверка правильности ввода информации, контроль за работой КТС системы и т.п.) функций АСУТП. Специальное программное обеспечение АСУТП разрабатывает-ся на базе и с использованием программного обеспечения. Отдельные программы или СПО АСУТП в целом могут изготавливаться и поставляться в виде программных средств как продук-ция производственно-технического назначения.

В состав программного обеспечения входят общее программное обеспече-ние, поставляемое со средствами вычислительной техники, в том числе, организующие программы, программы-диспетчеры, транслирующие программы, операционные системы, библиотеки стандартных программ, а также специальное программное обеспечение, которое реализует функции конкретной системы, обеспечивает функцио-нирование КТС, в том числе аппаратным путем.

Математическое, алгоритмическое обеспечение. Как известно, модель - это образ объекта исследо-вания, отображающая существенные свойства, характеристики, параметры, взаимосвязи объекта. Одним из ме-тодов исследования процессов или явлений в АСУ ТП является метод математического моделирования, т.е. путем построения их математических моделей и анализа этих моделей. Разновидностью математического моде-лирования является имитационное моделирование, при котором используется прямая подстановка чисел, ими-тирующих внешние воздействия, параметры и переменные процессов с помощью УВК. Для проведения имита-ционных исследований необходимо разработать алгоритм.

Алгоритмы, используемые в АСУ ТП, характеризу-ются следующими особенностями:

Временная связь алгоритма с управляемым процессом;

Хранение рабочих программ в оперативной памяти УВК для доступа к ним в любой момент времени;

Превышение удельного веса логических операций;

Разделение алгоритмов на функциональные части;

Реализация на УВК алгоритмов в режиме разделения времени.

Учет временного фактора в алгоритмах управления сводится к необходимости фиксации времени приема информации в систему, времени выдачи сообщений оператором для формирования управляющих воздействий, прогнозирования состояния объекта управления. Необходимо обеспечить своевременную обработку сигналов УВК, связанной с управляемым объектом. Это достигается составлением наиболее эффективных по быстро-действию алгоритмов, реализуемых на быстродействующих УВК.

Из второй особенности алгоритмов АСУ ТП вытекают жесткие требования к объему памяти, необходимой для реализации алгоритма, к связанности алгоритма.

Третья особенность алгоритмов обусловлена тем, что технологические процессы управляются на основе ре-шений, принимаемых по результатам сопоставления различных событий, сравнения значений параметров объекта, проверки выполнения различных условий и ограничений.

Использование четвертой особенности алгоритмов АСУ ТП дает возможность разработчику сформулиро-вать несколько задач системы, а затем объединить разработанные алгоритмы этих задач в единую систему. Степень взаимосвязи задач АСУ ТП может быть различной и зависит от конкретного объекта управления.

Для учета пятой особенности алгоритмов управления необходимо разработать операционные системы ре-ального времени и планировать очередность загрузки модулей, реализующих алгоритмы задач АСУ ТП, их вы-полнение в зависимости от приоритетов.

На этапе разработки АСУ ТП создаются измерительные информационные системы, которые обеспечивают полный и своевременный контроль режима работы агрегатов, позволяющих анализировать ход технологиче-ского процесса и ускорить решение задач оптимального управления.

Функции систем централизованного кон-троля сводятся к решению следующих задач:

Определение текущих и прогнозируемых значений величин;

Определение показателей, зависящих от ряда измеряемых величин;

Обнаружение событий, являющихся нарушениями и неисправностями на производстве.

Общая модель задачи при оценке текущих значений измеряемых величин и вычисляемым по ним ТЭП в системе централизованного контроля может быть представлена следующим образом: задается совокупность величин и показателей, которые необходимо определять в объекте контроля, указывается требуемая точность их оценки, имеется совокупность датчиков, которые установлены на автоматизируемом объекте. Тогда общая задача оценки значения отдельной величины формулируется следующим образом: для каждой отдельной вели-чины требуется найти группу датчиков, частоту их опроса и алгоритм переработки получаемых от них сигна-лов, в результате которого значение этой величины определяется с заданной точностью.

Для решения задач в условиях АСУ ТП используются такие математические методы, как линейное про-граммирование, динамическое программирование, методы оптимизации, выпуклое программирование, комби-наторное программирование, нелинейное программирование. Методами построения математического описания объекта являются метод Монте-Карло, математическая статистика, теория планирования эксперимента, теория массового обслуживания, теория графов, системы алгебраических и дифференциальных уравнений.

Информационное обеспечение АСУТП включает: перечень и характеристики сигналов, характеризующих состояние АТК:

Описание принципов (правил) классификации и кодирования информации и перечень классификационных группировок,

Описания массивов информации, формы документов к видео-кадрам, используемых в системе,

Нормативно-справочную (условно-постоянную) информацию, используемую при работе системы.

В состав организационного обеспечения АСУТП вхо-дят описание АСУТП (функциональной, технической и организаци-онной структуры системы) и инструкции для оперативного персонала, необходимые и достаточные для его функционирования в составе АТК.

Организационное обеспечение включает описание функциональной, технической, организационной структур системы, инструкции и регламенты для оперативного персонала по работе АСУ ТП. Оно содержит совокупность правил, предписаний, обеспечивающих требуемое взаимодействие оперативного персонала меж-ду собой и комплексом средств.

Таким образом, организационная структура управления - это связи между людьми, занятыми экс-плуатацией объекта. Персонал, занятый оперативным управлением, поддерживает технологический процесс в заданных нормах, обеспечивает выполнение производственного плана, контролирует работу технологического оборудования, следит за условиями безопасного ведения процесса.

Эксплуатационный персонал АСУ ТП обеспечивает правильность функционирования КТС АСУ ТП, ведет учет и отчетность. АСУ ТП получает от вышестоящего уровня управления производственные задания, крите-рии реализации этих заданий, передает на вышестоящие уровни управления сведения о выполнении заданий, количественных и качественных показателях продукции и функционировании автоматизированного техноло-гического комплекса.

Для анализа организационной структуры и определения оптимального построения внутренних взаимосвя-зей используют методы групповой динамики. При этом обычно применяют методику и приемы социальной психологии.

Проведенные исследования дали возможность сформулировать требования, необходимые для ор-ганизации группы оперативного технологического персонала:

Вся производственная информация должна передаваться только через руководителя;

У одного подчиненного должно быть не больше одного непосредственного руководителя;

В производственном цикле информационно взаимодействуют друг с другом только подчиненные одно-го руководителя.

Подразделения технического обслуживания выполняют работы на всех стадиях создания АСУ ТП (проек-тирование, внедрение, эксплуатация), их основными функциями являются:

Обеспечение эксплуатации систем в соответствии с правилами и требованиями технической докумен-тации;

Обеспечение текущего и планового ремонта технических средств АСУ ТП;

Проведение совместно с разработчиками испытаний АСУ ТП;

Проведение исследований по определению экономической эффективности системы;

Разработка и реализация мероприятий по дальнейшему развитию системы;

Повышение квалификации работников службы АСУ ТП, изучение и обобщение опыта эксплуатации. Для выполнения функций технологу-оператору должны быть представлены технические и программные средства, обеспечивающие в зависимости от особенностей технологического процесса требуемые наборы из следующих информационных сообщений:

Индикация измеренных значений параметров по вызову;

Индикация и изменение заданных границ контроля параметров процесса;

Звуковая сигнализация и индикация отклонений параметров за регламентные границы;

Звуковая сигнализация и индикация отклонений скорости изменения параметров от заданных значений;

Отображение состояния технологического процесса и оборудования на схеме объекта управления;

Регистрация тенденций изменения параметров;

Оперативная регистрация нарушений технологического процесса и действий оператора.

Информационное обеспечение (ИО) включает систему кодирования технологической и технико-экономической информации, справочную и оперативную информацию, содержит описание всех сигналов и кодов, используемых для связи технических средств. Применяемые коды должны включать минимальное число знаков, иметь логическую структуру и отвечать другим требованиям кодирования. Формы выходных докумен-тов и представлений информации не должны вызывать трудностей при их использовании.

При разработке и внедрении системы ИО АСУ ТП необходимо учитывать принципы организации управ-ления технологическим процессом, которым соответствуют следующие этапы.

1) Определение подсистем АСУ ТП и типов управленческих решений, по которым необходимо обеспече-ние научно-технической информацией. Результаты этого этапа используются для определения оптимальной структуры массивов информации, для выявления характеристик ожидаемого потока запросов.

2) Определение основных групп потребителей информации. Потребители информации классифицируются в зависимости от их участия в подготовке и принятии управленческих решений, связанных с организацией тех-нологического процесса. Накопление информации осуществляется с учетом видов задач, решаемых при управ-лении процессами. Потребитель может получить информацию по сопряженным технологическим участкам, также создаются условия для перераспределения информации при изменении потребностей.

3) Изучение информационных потребностей.

4) Изучение потоков научно-технической информации, необходимой при управлении процессами, бази-руется на результатах анализа управленческих задач. Наряду с потоками документальной информации анали-зируются факты, отражающие опыт данного и аналогичных предприятий.

5) Разработка информационно-поисковых систем для управления технологическим процессом.

Для автоматизированных систем характерны процессы переработки информации - преобразование, пере-дача, хранение, восприятие. При управлении технологическим процессом происходит передача информации и переработка управляющей системой входной информации в выходную информацию. При этом необходимы контроль и регулирование, заключающиеся в сравнении информации о результатах предшествующего этапа деятельности с информацией, соответствующей условиям достижения цели, в оценке рассогласования между ними и выработке корректирующего выходного сигнала. Рассогласование вызывается внутренними и внешни-ми возмущающими воздействиями случайного характера. Процесс передачи информации предполагает наличие источника информации и приемника.

Для обеспечения участия человека в управлении технологическим процессом необходимо документирова-ние информации. Для последующих анализов требуется накопление статистических исходных данных посред-ством регистрации состояний и значений параметров процесса во времени. На основе этого проверяется соблю-дение технологического процесса, качество продукции, контролируются действия персонала в аварийных си-туациях, осуществляется поиск направлений совершенствования процесса.

При разработке информационного обеспечения АСУ ТП, связанного с документированием и регистраци-ей, необходимо:

Определить вид регистрируемых параметров, место и форму регистрации;

Выбрать временной фактор регистрации;

Минимизировать количество регистрируемых параметров из соображений необходимости и достаточ-ности для оперативных действий и анализа;

Унифицировать форматы документов, их структуру;

Ввести специальные реквизиты;

Решить вопросы классификации документов и маршрутов их движения;

Определить объемы информации в документах, установить место и сроки хранения документов.

Потоки информации в каналах связи АСУ ТП система должна передавать с необходимым качеством ин-формации от места ее образования к месту ее приема и использования.

Для этого должны удовлетворяться сле-дующие требования:

Своевременность доставки информации;

Верность передачи - отсутствие искажений, потерь;

Надежность функционирования;

Единство времени в системе;

Возможность технической реализации;

Обеспечение экономической приемлемости информационных требований. Кроме того, система должна предусматривать:

Регулирование информационных потоков;

Возможность осуществления внешних связей;

Возможность расширения АСУ ТП;

Удобство участия человека в анализе и управлении процессом.

К основным характеристикам потока информации относятся:

Объект управления (источник информации);

Цель информации;

Формат информации;

Объемно-временные характеристики потока;

Периодичность возникновения информации;

Объект, использующий информацию.

При необходимости характеристики потока детализируются указанием:

Вида информации;

Наименования контролируемого параметра;

Диапазона изменения параметра во времени;

Числа одноименных параметров на объекте;

Условий отображения информации;

Скорости генерации информации.

К основным информационным характеристикам канала связи относятся:

Местоположение начала и конца канала связи;

Форма передаваемой информации;

Структура канала передачи - датчик, кодер, модулятор, линия связи, демодулятор, декодер, устройство отображения;

Вид канала связи - телефонный, механический;

Скорость передачи и объем информации;

Способы преобразования информации;

Пропускная способность канала;

Объем сигнала и емкость канала связи;

Помехоустойчивость;

Информационная и аппаратурная избыточность канала;

Надежность связи и передачи по каналу;

Уровень затухания сигнала в канале;

Информационное согласование звеньев канала;

Мобильность канала передачи.

В АСУ ТП может быть внесен временной признак информации, который предполагает единую систему времени с централизованной шкалой отсчета. Для информационных связей АСУ ТП характерной чертой явля-ется действие в реальном масштабе времени.

Применение единой системы отсчета времени обеспечивает вы-полнение следующих задач:

Документирование времени приема, передачи информации;

Протоколирование происходящих в АСУ ТП событий;

Анализ производственных ситуаций по временному признаку (очередность поступления, длительность);

Учет времени прохождения информации по каналам связи и времени обработки информации;

Управление очередностью приема, передачи, обработки информации;

Задание последовательности управляющих воздействий в пределах единой шкалы времени;

Отображение единого времени в пределах зоны действия АСУ ТП.

При создании АСУ ТП основное внимание уделяется сигналам, связанным с взаимодействием отдельных элементов. Изучению подлежат сигналы взаимодействия человека с техническими средствами и одних техни-ческих средств с другими техническими средствами. В связи с этим рассматриваются следующие группы сиг-налов и кодов:

Первая группа - представляет собой стилизованные языки, которые обеспечивают экономный ввод данных в технические средства и вывод их оператору. По характеру информации выделяют технические и экономиче-ские данные.

Вторая группа - решает задачи передачи данных и стыковки технических средств. Здесь основной про-блемой является верность передачи сообщения, для чего используют помехоустойчивые коды. Информацион-ная совместимость технических средств обеспечивается установкой дополнительной согласующей аппаратуры, использованием вспомогательных программ перекодировки данных.

Третья группа - представляет собой машинные языки. Обычно используют двоичные коды с элементами защиты данных по цифровому модулю, с дополнением кода проверочным разрядом.

Общие технические требования к АСУ ТП по информационному обеспечению:

1) максимальное упрощение кодирования информации за счет кодовых обозначений и кодов повторения;

2) обеспечение простоты декодирования выходных документов и форм;

3) информационная совместимость АСУ ТП со смежными системами по содержанию, кодированию, форме представления информации;

4) возможность внесения изменений в ранее переданную информацию;

5) обеспечение надежности выполнения системой своих функций за счет помехозащищенности информации.

Персонал АСУ ТП взаимодействует с КТС, воспринимая и вводя технологическую и экономическую ин-формацию. Кроме этого оператор взаимодействует с другими операторами и вышестоящим персоналом. Для облегчения этих связей принимаются меры по формализации потоков информации, их сжатию и упорядоче-нию. ЭВМ передает оператору информацию в виде световых сигналов, изображений, печатных документов, звуковых сигналов.

При взаимодействии оператора с УВК необходимо обеспечить:

Наглядное отображение функционально-технологической схемы объекта управления, информацию о его состоянии в объеме функций, возложенных на оператора;

Отображение связи и характера взаимодействия объекта управления с внешней средой;

Сигнализацию о нарушениях в работе объекта;

Быстрое выявление и ликвидацию неисправностей.

Отдельные группы элементов, наиболее существенные для контроля и управления объектом, обычно вы-деляют размерами, формой, цветом. Технические средства, используемые для автоматизации управления, по-зволяют вводить информацию только в определенной заранее обусловленной форме. Это приводит к необхо-димости кодирования информации. Обмен данными между функциональными блоками системы управления должен осуществляться законченными смысловыми сообщениями. Сообщения передаются двумя раздельными потоками данных: информационным и управляющим.

Сигналы информационного потока подразделяются на группы:

Измеряемого параметра;

Диапазона измерения;

Состояния функциональных блоков системы;

Адреса (принадлежность измеряемого параметра определенному блоку);

Времени;

Служебный.

Для защиты от ошибок при обмене информацией через каналы связи на входе и выходе аппаратуры следу-ет использовать избыточные коды с их проверкой на четность, цикличность, итеративность, повторяемость. Вопросы защиты информации связаны с обеспечением надежности работы системы управления, формами представления информации. Информацию необходимо защищать от искажения и от использования ее не по назначению. Методы защиты информации зависят от производимых операций, от используемого оборудования

Оперативный персонал АСУТП состоит из технологов-операторов АТК, осуществляющих контроль за работой, и управле-ние ТОУ с использованием информации и рекомендаций по рацио-нальному управлению, выработанных комплексами средств автоматизации АСУТП, и эксплуатационного персонала АСУТП, обеспечива-ющего правильность функционирования комплекса технических и программных средств АСУТП. Ремонтный персонал в состав оперативного персонала АСУТП не входит.

В ходе процесса проектирования АСУТП разрабатывают-ся математическое и лингвистическое обеспечения, которые в явном виде не входят в состав функционирующей системы. Математическое обеспечение АСУТП представляет собой совокупность методов, моделей и алгоритмов, используемых в системе. Математическое обеспечение АСУТП реализуется в виде программ специального программного обеспечения.

Лингвистическое обеспечение АСУТП представляет собой совокупность языковых средств для общения оперативного персонала АСУТП со средствами ВТ системы. Описание языковых средств включается в состав эксплуатационной документации орга-низационного и программного обеспечения системы. Метрологическое обеспечение АСУТП - это совокупность работ, проектных решений и технических и программных средств, направленная на обеспечение заданных точностных характеристик функций системы, реализованных на основе измерительной инфор-мация.

В состав оперативного персонала входят технологи-операторы автоматизиро-ванного технологического комплекса, осуществляющие управление технологическим объектом, и эксплуатаци-онный персонал АСУ ТП, обеспечивающий функционирование системы. Оперативный персонал может рабо-тать в контуре управления и вне него. В первом случае реализуются функции управления по рекомендациям, выдаваемым КТС. Во втором случае оперативный персонал задает системе режим работы, контролирует работу системы и при необходимости принимает на себя управление технологическим объектом. Службы ремонта в состав АСУТП не входят.

Диспетчерская служба в АСУ ТП находится на стыке управления технологическим процессом и управления производством. Операторские и диспетчерские пункты АСУ обеспечивают экономичное объедине-ние способностей оперативного персонала и возможностей технических средств.