СОСТАВ АСУ ТП

Состав и строение любой конкретной АСУ ТП выбираются так, чтобы система соответствовала общим техническим требованиям, установленным ГОСТ, и частным требованиям, содержащимся в Техническом задании на ее создание.

АСУ ТП должна выполнять все возложенные на нее функции в соответствии с назначением и сформулированными целями:

1. управлять технологическим объектом удовлетворяя принятым критериям функционирования;

2. обладать требуемыми показателями и характеристиками точности, надежности и быстродействия;

3. отвечать эргономическим условиям по способам, форме представления информации оператору, размещению технических средств и др. (эргономика изучает человека и его деятельность в условиях современного производства с целью оптимизации орудий, условий и процесса труда, в частности, рабочего места);

4. обеспечивать взаимосвязь с системами управления более высоких и смежных уровней иерархии и другими АСУ ТП, т. е. обладать свойством технической и информационной совместимости;

5. допускать возможность дальнейшей модернизации и развития.

НАДЕЖНОСТЬ АСУ ТП

Надежность - свойство объекта выполнять заданные функции, сохраняя во времени значения установленных эксплуатационных показателей в предусмотренных пределах, соответствующих определенным режимам, условиям пользования, технического обслуживания.

Надежность является комплексным свойством объекта, включающим следующие составляющие:

1. Безотказность свойство объекта непрерывно сохранять работоспособность в течение некоторого времени;

2. Ремонтопригодность - способность обнаружения причин возникновения отказов, устранения их последствий путем проведения ремонта и технического обслуживания;

3. Сохраняемость - способность сохранять работоспособное состояние во время транспортировки и после хранения;

4. Долговечность - свойство объекта сохранять работоспособность до наступления предельного состояния при установленной системе технического обслуживания.

Каждая из составляющих надежности связана с некоторой случайной величиной, имеющей размерность времени (время безотказной работы, время восстановления работоспособности после отказа, время сохранения технических характеристик в условиях хранения).

Обеспечение надежности АСУ ТП имеет следующие особенности:

· сложность (большое число различных технических средств и персонала);

· многофункциональность;

· многонаправленность использования элементов в системе (один и тот же элемент участвует в выполнении нескольких функций);

· множественность видов отказов (причины возникновения, последствия);

· взаимосвязь надежности и экономической эффективности (повышение надежности требует дополнительных затрат, снижающих экономический эффект);

· зависимость надежности от технической эксплуатации;

· зависимость надежности от КТС и структуры алгоритмов;

· человеческий фактор - влияние персонала.

Основные составляющие надежности АСУ ТП - безотказность и ремонтопригодность обязательно вносятся в техническую документацию. Сохраняемость и долговечность не являются существенными показателями и определяются факторами морального старения. Надежность АСУ ТП представляет собой совокупность характеристик и показателей по всем функциям системы. Перечень этих функций устанавливается ТЗ на АСУ ТП и по каждой функции различают два возможных состояния: работоспособность и неработоспособность.

Для функций АСУ ТП можно выделить следующие основные виды отказов:

· устойчивые отказы и сбои;

· внезапные и случайные отказы;

· отказы, приводящие к остановке и аварии.

Методы повышения надежности технических систем:

· применение более надежных компонентов одного назначения;

· введение избыточности (структурной, информационной);

· интенсификация технического обслуживания;

· улучшение условий эксплуатации.

Методы повышения ремонтопригодности:

· применение компонентов с высоким уровнем ремонтопригодности;

· увеличение состава и повышение квалификации ремонтных бригад;

· рационализация размещения технических средств;

· применение специального диагностического оборудования.

· Меры по борьбе со сбоями технических средств:

· применение компонентов с высоким уровнем помехоустойчивости;

· улучшение помеховой обстановки;

· ведение информационной и алгоритмической избыточности.

На различных этапах создания АСУ ТП возникают две основные задачи, требующие совместного рассмотрения вопросов надежности и экономической эффективности:

1. Прогноз уровня экономической эффективности с учетом надежности;

2. Оптимизация требований надежности АСУ ТП по критерию максимума ее экономической эффективности.

Теоретической предпосылкой возможности оптимизации уровня надежности АСУ ТП по экономическим критериям являются следующие взаимопротиворечащие обстоятельства:

Повышение надежности связано с увеличением затрат;

Повышение надежности снижает потери от отказов.

 

В качестве основных компонентов АСУ ТП можно выделить: оперативный персонал, информационное, организационное, программное и техническое обеспечения (рис. 1.6).

Процесс целенаправленного преобразования входной информации в выходную в АСУ ТП выполняется совместно двумя компонентами: оперативным персоналом и техническим обеспечением - комплексом технических средств (КТС). Они собирают входную информацию от объекта и других внешних источников, обрабатывают и анализируют ее, а затем принимают решения по управлению и реализуют их, формируя соответствующие управляющие воздействия на объект и посылая другие сигналы, несущие выходную информацию как своеобразную продукцию системы. Поэтому оперативный персонал и технические средства можно считать главными компонентами АСУ ТП, полностью определяющими ее человеко-машинный характер.

 

Рис. 1.6. Основные компоненты АСУ ТП

 

Чтобы и люди, и КТС могли функционировать правильно, в соответствии с принятыми критериями, необходимо обеспечить их гармонизацию через соответствующие правила и инструкции. Для оперативного персонала эту задачу выполняют документы организационного обеспечения АСУ ТП, а для основной части КТС (цифровой ЭВМ) –аппаратное и программное обеспечение.

Между компонентами АСУ ТП в процессе ее функционирования существует интенсивное взаимодействие: организационное и программное обеспечения определяют поведение оперативного персонала и ЭВМ соответственно; персонал активно взаимодействует с техническим обеспечением и при необходимости корректирует программное обеспечение.

 

ОРГАНИЗАЦИОННОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ

Организационное обеспечение (ОО) определяет порядок и правила работы АСУ ТП и участие в ней оперативного персонала (ОП). ОО - совокупность документов, в частности, технологические регламенты, определяющие ведение процесса, инструкции по эксплуатации оборудования и системы, ТУ, ТЗ и другие документы аналогичного содержания. Оно содержит организационную схему системы – состав оперативного персонала конкретной АСУ ТП и взаимоотношения между её работниками. Основные связи между элементами схемы соответствуют отношениям оперативной соподчиненности работников, существенным для процесса управления. В организационной структуре может быть также отображено территориальное размещение оперативного персонала АСУ ТП и его взаимодействие с работниками других систем и уровней управления.

ОПАСУ ТП состоит из операторов - технологов (диспетчеров), осуществляющих контроль и управление объектом (приоритетно), и эксплуатационного персонала, обеспечивающего правильность функционирования всех технических и программных средств системы. При современной степени автоматизации численность операторов бывает небольшой (один - два человека). Но в состав ОП, кроме диспетчеров, входит также эксплуатационный персонал, призванный своевременно выполнять все работы по обслуживанию (ТОИР) и оперативному восстановлению данной системы (ремонтный персонал в состав оперативного включать не принято).

В организационном обеспечении четкие, строгие правила и предписания, подлежащие неукоснительному выполнению, должны сочетаться с положениями, оставляющими определенную степень свободы в деятельности человека и даже стимулирующими его творческие действия для дальнейшего совершенствования процесса управления.

Организационное обеспечение должно:

1. прописывать в инструкциях действия оперативного персонала в нормальных, предаварийных и аварийных ситуациях.

2. регламентировать взаимодействие оперативного персонала с КТС и между собой во время работы

3. содержать сведения о порядке эксплуатации системы, в том числе по поддержанию ее точности и надежности

ТЕХНИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ

Под техническим обеспечением (ТО) АСУ ТП принято понимать комплекс аппаратных средств, предназначенных для функционирования системы и обеспечивающий выполнение всех возложенных на неё задач (рис. 1.7). В состав ТО обычно входят средства получения, преобразования, передачи и отображения информации, управляющие, вычислительные и исполнительные устройства. В состав технического обеспечения АСУ ТП должны также входить приборы и устройства, необходимые для наладки и проверки работоспособности КТС и запасные части. Технические характеристики используемых средств АСУ ТП должны соответствовать требованиям на безопасную и надежную эксплуатацию системы, желательна взаимозаменяемость одноименных технических устройств и учет воздействия окружающей среды.

I. Непосредственно на объекте управления устанавливаются:

· первичные измерительные преобразователи (датчики), воспринимающие значения параметров процесса (давление, расход газов или жидкостей, температуру, электрическую мощностью, уровень жидкости и т. д.);

· сигнальные двухпозиционные устройства, дающие информацию о включении или выключении того или иного оборудования;

· исполнительные двухпозиционные или регулирующие органы, осуществляющие управляющие воздействия путем открытия вентилей и заслонок, изменения частоты вращения двигателей, режима работы насосов и т.д.

 

Рис. 1.7. Техническое обеспечение АСУ ТП

II. В непосредственной близости от объектов находятся:

· первичные преобразователи и интеллектуальные датчики, преобразователи сигнала датчика в электрический или пневматический вид энергии;

· усилители мощности для преобразования управляющей информации от УСО ЭВМ в сигнал воздействия на объект, исполнительные устройства, регулирующие органы;

· «распределенные» преобразователи УСО, и локальные регуляторы, концентраторы цифровых сигналов.

III. В «щитовой» располагаются:

· «Централизованные» УСО и контроллеры;

· Устройства бесперебойного питания (автоматический переключатель на резервную систему питания);

· Управляющий комплекс (сервер).

На щите управления располагаются

· Автоматизированное рабочее место (АРМ) оператора – технолога

· Автоматизированное рабочее место инженера – программиста.

МАТЕМАТИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ

Необходимым условием для функционированияАСУ ТП наравне с техническим являются математическое и программное обеспечение. В результате усложнения технологических объектов и задач управления ими стоимость разработки и отладки полного комплекса соответствующих алгоритмов и программ во многих АСУ ТП стала соизмеримой с затратами на приобретение и монтаж всех технических средств системы, включая ЭВМ.

В соответствии с терминологическими стандартами под математическим обеспечением АСУ ТП понимается совокупность математических методов, моделей и алгоритмов, используемых при разработке и функционировании систем. По мере развития вычислительной техники и использования в АСУ ТП математическое обеспечение вместе с построенным на его основе программным обеспечением приобретает все большее значение и становится соизмеримым, а иногда и превышает по стоимости комплекс используемых технических средств. МО+ПО - это «идеологическое содержание» АС, основа - мягкая составляющая (Soft) в отличие от так называемого твердого товара, (железа - Hard), к которому относят технические средства.

При успешном развитии техники стало очевидно «узкое место» - дальнейший прогресс в оснащении промышленных ТОУ развитыми и эффективными АСУ невозможен без наличия отработанных алгоритмов и программ, необходимых для выработки обоснованных решений по управлению с использованием ЭВМ.

Важными предпосылками автоматизации управления любым объектом служат содержательное описание и изучение деятельности людей с последующей формализацией их функций, допускающих строгое математическое описание (алгоритмизацию) и передачу машинам. Переход от содержательного словесного описания к формализованному — одно из проявлений общей закономерности научного познания - является необходимым звеном процесса передачи деятельных функций человека техническим средствам. Применительно к АСУ ТП это означает, что все действия по контролю и управлению технологическим объектом, (поручаемые ЭВМ), должны быть полно и однозначно описаны сначала на строгом языке алгоритмов, т. е. математических правил и выражений, а затем в виде программ, т. е. последовательностей команд, выполняемых вычислительной машиной.

Управление объектом включает в себя комплекс операций необходимых для формирования соответствующих целенаправленных воздействий на управляемый объект: операции получение информации (контроля), анализа (выработка и принятие решений) и исполнения (реализация управляющих воздействий).

Операции получения информации и реализации управляющих воздействий в большинстве случаев выполняются в АСУ ТП независимо от оператора, автоматически, с помощью средств технического обеспечения нижнего уровня. Однако определение ненаблюдаемых параметров и расчет ТЭП также требует сложных алгоритмов.

Операции выработки и принятия решений по управлению требуют, как правило, до их реализации определения оптимального (или хотя бы рационального) алгоритма их выполнения. Для этого каждую задачу управления надо сформулировать математически.

Математическая формулировка задачи оптимального управления включает в себя два элемента: математическую модель объекта и критерий управления. Под математической моделью понимают систему соотношений, описывающих поведение объекта управления и те условия (возмущения, ограничения и т. д.), в которых он работает. Для представления модели в аналитической форме необходимо знать физическую природу управляемого объекта, его структуру и конструктивные особенности. (Различают феноменологическое описание и «черный ящик», обычно используется их совокупность в некотором сочетании.) Модель всегда в той или иной степени приближенна и может не учитывать ряда тонких явлений, происходящих в объекте, но в то время может с успехом использоваться для определения управляющих воздействий при различных совокупностях значений параметров объекта. Это можно сделать как в темпе с ходом процесса (реального времени, on line), так и в режиме предварительного анализа, производя соответствующие вариантные расчеты.

Если характеристики управляемого объекта подвержены изменениям, то соответствие модели объекту должно непрерывно проверяться и уточняться на основе информации о состоянии объекта (адаптивная схема). Пользуясь моделью, можно испробовать различные управляющие воздействия, получить и зафиксировать реакции на эти воздействия, а затем выбрать те из них, которые в наибольшей степени удовлетворяют оптимальному критерию.

Вычислительные комплексы, входящие в АСУ, накапливают информацию об управляемом процессе в виде совокупности значений измеряемых параметров, сведений о состоянии оборудования и перерабатывают ее для выработки управляющих воздействий. Переработка информации в ВК осуществляется по алгоритмам, которые отражают технологическую инструкцию ведения процесса. В ней говорится о том, каким образом, располагая информацией о процессе, полученной на основе измерений, и зная все ограничения, накладываемые на процесс, выбирать целесообразные управляющие воздействия в различных производственных ситуациях. Обычно алгоритм, выполняемый ВК, соответствует рассуждениям и вычислениям, которые должен был бы произвести сам оператор при отсутствии вычислительной машины. Последовательность действий не произвольна, а реализует тот или иной метод решения задачи. Этот метод иногда может быть первоначально задан в виде математической формулы, иногда в словесной (описательной) форме, иногда в виде цепочки логических условий. Во всех случаях он должен быть сформулирован достаточно точно и четко, чтобы не оставалось места для личных толкований и двусмысленностей, и в итоге был бы получен определенный численный или логический конкретный результат.

Роль алгоритмов и программ в современной АСУ ТП особенно велика, так как без них нельзя ни использовать для автоматизации управления огромные возможности вычислительной техники, ни организовать эффективное взаимодействие человека и ЭВМ как его инструмента - средства управления.

ИНФОРМАЦИОННОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ

Если математическое обеспечение АСУ ТП фиксирует идейные аспекты организации управления, то информационное и программное представляют собой конкретную реализацию комплекса машинных алгоритмов функционирования.

Взаимодействия внутри системы и её связь с внешней средой носят, в основном, информационный характер, т.к. сводятся к приему и передаче информации в виде различных сигналов, сведений, данных и т.д. Информационное обеспечение определяет способы и конкретные формы отображения состояния объекта управления как в виде данных в ЭВМ, так и в виде документов, графиков, интерфейсов для их представления специалистам, участвующим в управлении технологическим процессом.

Важная роль этого компонента состоит в том, что именно через него, точнее - с его помощью осуществляются все процессы обмена информацией как внутри АСУ ТП, так и с внешней средой. Информационное обеспечение определяет способы и конкретные формы отображения состояния объекта управления в виде данных в ЭВМ, документов, графиков, сигналов для их представления специалистам, участвующим в управлении технологическим процессом.

Такой информационный обмен требует наличия определенных соглашений о принятых формах и возможных значениях (содержании, смысле) тех или иных информационных элементов. Это принятое множество форм массивов данных, документов, перечней и шкал используемых сигналов, кодов и правил их расшифровки образуют основной компонент АСУ ТП – информационное обеспечение.

Выделение информационного обеспечения АСУ ТП в виде самостоятельного компонента разработки и эксплуатации системы произошло лишь в последние годы, и четкую грань между программным и информационным обеспечением в настоящее время провести трудно. В значительной части технической литературы по АСУ термин «программное обеспечение» применяют в широком смысле, включая в него и понятие «информационное обеспечение».

ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ (ПО)

В настоящее время ПО принято делить на два класса: общее программное обеспечение и специальное.

Общее ПО— это совокупность программ, необходимых для функционирования собственно вычислительного комплекса вне зависимости от особенностей данной АСУ (офисная, промышленный контроллер и т.д.) и от конкретного набора выполняемых ею функций.

Основой общего ПО является Операционная система (ОС), предназначенная для организации и управления вычислительным процессом. ОС является «диспетчером» и представляет собой набор алгоритмов, координирующих действие отдельных программ и устройств ЭВМ, организующая их очереди, последовательность включения в работу; программы управления отдельными устройствами. В частности, реализует последовательность выполнения задач процессором, оперативной памятью, внешней памятью и внешними устройствами.

ОС ЭВМ представляет собой совокупность программ, выполняющих две основные функции:

· управление ресурсами системы, обеспечение (в случае необходимости) их распределения между несколькими устройствами и контроль за выделением ресурсов для «одновременного» выполнения многих задач;

· предоставление набора услуг, обеспечивающего пользователю требуемый интерфейс, который предоставляет набор средств для управления потоками информации, а также для реализации прикладного программного обеспечения.

Целью первых разработок ОС было обеспечение наиболее эффективной загрузки ресурсов вычислительной системы (ДОС), или обеспечение возможности одновременной работы нескольких пользовательских задач (Windows).

Спецификой ОС для АСУ ТП является проблема, связанная с необходимостью быстрого и обязательного ответа на события в объекте. Т.е. требуется система реального времени, обеспечивающая гарантированное время реакции, это значит, что задержка ответа будет конечной и не превысит определенного значения. Реальное время в операционных системах - это способность операционной системы обеспечить требуемый уровень сервиса в определённый промежуток времени.

Можно выделить 3 особенности ОС РВ:

1. Основная задача - успеть среагировать на события, происходящие на объекте

2. Система реального времени, как аппаратно-программный комплекс, включает в себя датчики, регистрирующие на события в объекте, модули ввода-вывода, преобразующие показания датчиков в цифровой вид, и компьютер с программой, реагирующей на события, происходящие на объекте. Она ориентирована на обработку внешних событий.

3. ОСРВ служит только иструментом для создания конкретного управляющего комплекса реального времени.

Как правило, например, в OC QNX, время отклика колеблется от нескольких микросекунд до нескольких десятых долей секунды и связано с информационной мощностью и количеством точек (задач). Кроме того, ОСРВ (QNX) представляет собой многозадачную, многопользовательскую, многоконсольную ОС.

 

Специальное ПО включает программы, используемые при различных конкретных применениях ЭВМ. Специальное ПО АСУ ТП применяется для создании реальной системы управления и включает в себя программы реализации управляющих, информационных и вспомогательных функций (обеспечение заданного функционирования технических средств системы, проверка правильности ввода информации, контроль за работой системы и т. п.).

Обычно в АСУТП используется класс программ SCADA (англ. Supervisory Control And Data Acquisition) - система диспетчерского контроля и сбора данных – профессиональные инструменты разработки систем компьютерного мониторинга.

При создании АСУ ТП решается следующий круг задач:

1 выбрать массив измеряемых и управляемых параметров;

2 установить датчики и устройства воздействия на объект;

3 провести конфигурацию компьютерной части системы и соединить с датчиками и исполнительными механизмами;

4.1 Обеспечить считывание оцифрованных данных (активное или пассивное);

4.2 Обеспечить математическую обработку данных (фильтрация, нормализация, линеаризация и т.д.)

4.3 Обеспечить отображение данных при помощи устройств компьютерного вывода – человеко – машинного интерфейса (ввод – вывод в реальном времени, форма отображения поступающей информации)

4.4 Хранение в архивах (запись, воспроизведение, контекстный поиск, графический просмотр, генерация отчетов).

Поэтому существующие SCADA-системы реализуют следующие функции:

1. Обмен данными с УСО (устройства связи с объектом, то есть с промышленными контроллерами и платами ввода/вывода) в реальном времени через драйверы (программы).

2. Обработка информации в реальном времени.

3. Отображение информации на экране монитора в понятной для человека форме (Human Machine Interface — человеко-машинный интерфейс).

4. Ведение базы данных технологической информации в реальном времени.

5. Аварийная сигнализация и управление тревожными сообщениями.

6. Подготовка и генерирование отчетов о ходе технологического процесса.

7. Осуществление сетевого взаимодействия между SCADA ПК.

8. Обеспечение связи с внешними приложениями (СУБД, электронные таблицы, текстовые процессоры и т. д.). В системе управления предприятием такими приложениями чаще всего являются приложения, относимые к уровню MES.

9. Возможность простой реализации регуляторов, поскольку имеет большой набор математических функций, что также позволяет моделировать объекты.

 

Наиболее важными характеристиками SCADA – программ являются: безопасность, графические возможности, генерация отчетов, настраиваемость на любой протокол обмена с устройствами ввода – вывода. Наиболее известны следующие SCADA – системы: In Touch (Wonderware- США), Genesis (Iconics - США), Trace Mode (AdAstra- Россия), WinCC+Step7 (Siemens – Германия).

· Безопасность предполагает «горячее резервирование» данных, автоматическое восстановление работоспособности системы после сбоя. Предусматривается сетевой вариант – распределенная СУ. Архивы могут сразу же сбрасываться на диск.

 

 

· Графические возможности обеспечивают простоту построения мнемосхем с нанесением на них стационарных, пассивных элементов (контуры установки) и активных – регулирующих, запорных органов, механизмов, измеряемых параметров (цифры, диаграммы, тренды), ретроспективных данных. Это аппарат для формирования предоставления оператору на экране наглядной информации о ходе технологического процесса. Наборы графических приметивов, шаблоны экранных форм и объектов, пополняемая библиотека символов, кнопки панелей.

· Генерация отчетов – архивы информации должны быть представлены в наглядной форме, допускать экспорт в распространенные СУБД и электронные таблицы (EXCEL) для использования другими системами, генерация и вывод на периферийные устройства технологических отчетов по форме, задаваемой пользователем.

· Настраиваемость на протокол ввода/вывода – стыковка программной части с произвольными аппаратными системами и формами представления данных. Теоретически SCADA–система настраивается на любую конфигурацию аппаратных средств и форм информации, если фирма – изготовитель открывает формат своего коммуникационного протокола. Во всех остальных случаях используются «самодельные» драйверы, обеспечивающие поток данных, а задача соединения в систему разнородных устройств сильно усложняется.

Сейчас все аппаратные средства должны комплектоваться OPC – сервером (OLE for Process Control - семейство программных технологий, предоставляющих единый интерфейс для управления объектами автоматизации и технологическими процессами). Т.е. должен быть в прилагаемом ПО некий стандартный протокол единый для всех SCADA–систем и устройств, их которых компонуется АСУ ТП.