25
является основной целью и когда могут быть включены конкретные цели
качества. Результат зависит от способности точно оценивать риски в процессе
разработки, а также, от контроля всех факторов и минимизации внешних
воздействий. Подобно другим расширениям и усовершенствованиям модели
водопада, она добавляет обратную связь к более ранним стадиям.
В течение ряда лет эта модель применялась в разработке крупных АСУ
ТП и хорошо документирована в публикациях Бема.
Рисунок 6. Спиральная модель
Основные достоинства спиральной модели:
1) Пользователи имеют возможность оценить систему на ранних этапах
разработки;
2) Пользователи имеют возможность принять участие в оценке, анализе
рисков, разработке системы;
3) Высокая скорость связи пользователей и разработчиков;
26
4) Поведение системы ожидаемо пользователями из-за постоянных
уточнений целей создания системы;
5) Нет необходимости сразу распределять все ресурсы, выделенные на
проект.
Основные недостатки спиральной модели:
1) Для проектов с низким риском и малыми размерами модель будет
дорогостоящей;
2) Нужны профессионалы для оценки рисков;
3) Большое количество промежуточных стадий требует большого
количества внутренней и внешней документации;
4) Спираль может продолжаться до бесконечности, поскольку ответ
заказчика может требовать новый цикл разработки.
Сравнительный анализ рассмотренных моделей жизненного цикла
приведен в таблице 1.
Таблица 1
Сравнительный анализ моделей жизненного цикла
Параметр
Модель
водопа
д
Быстрое
прототипировани
е
Инкриментна
я модель
Спиральна
я модель
Well Defined
Requirements
Да
Да
Нет
Нет
Участие
пользователя на
всех этапах
Только в
начале
Только в начале
Да
Да
Анализ риска
Только в
начале
Крайне низкий
Нет
Да
Перекрывающиес
я фазы
Нет
Нет
Нет
Да
Время
реализации
Большое
Малое
Большое
Большое
Стоимость
Низкая
Низкая
Низкая
Высокая
Включение
изменений
Сложно
Легко
Легко
Легко
Простота модели
Очень
простая
Очень простая
Средняя
Средняя
Гибкость
Нет
Высокая
Нет
Высокая
На основании проведенного анализа можно сделать выводы:
27
− модель водопада и спиральная модель широко используются в
развивающихся системах, но спиральная модель имеет большую стоимость
разработки и возможность вносить изменения на любой стадии разработки;
− поскольку технологический процесс разделения атмосферного
воздуха хорошо изучен и в процессе создания АСУ ТП не потребуются
постоянные изменения, выберем модель водопада, как имеющую низкую
стоимость и предполагающую развитие системы.
1.3. Проектирование и основные технологии разработки АСУ ТП
Исходя из поставленных требований, проектировщик должен оценить
возможность их выполнения, выбрать и предложить ту или иную структуру
АСУ ТП, активные, изоляционные и конструктивные материалы, разработать
наиболее простую технологию изготовления при минимально-возможных
трудозатратах и финансовых затратах производства. [15]
Расчётный этап проектирования должен соблюдать следующие
требования относительно непосредственного функционирования АСУ ТП:
− проектируемая АСУ ТП должна быть надёжной в эксплуатации;
− проектируемая АСУ ТП должна обеспечивать эксплуатационные
характеристики согласно требованиям, оговорённым и установленным
подготовительным этапом проектирования;
− спроектированная АСУ ТП должна быть проанализирована на
предмет экономической эффективности таковой для предприятия [8].
Межгосударственный стандарт ГОСТ 2.103-68 устанавливает стадии
разработки конструкторской документации на изделия всех отраслей
промышленности, которая в соответствии с таковым должна включать: [8]
− разработку технического задания;
− представление технического предложения;
− разработку эскизного проекта;
− разработку рабочей документации [15].
28
Проектная деятельность может рассматриваться как планирование
появления определенного продукта или системы. [6]
Проектирование - это инновационный акт, посредством которого
инженер творчески использует знания и материалы для определения формы,
функции и материального содержания системы. Этапы разработки:
− определить потребность, вытекающую из ценностей различных
групп, охватывающих спектр от лиц, определяющих государственную
политику, до потребителя;
− подробно указать, каким должно быть решение этой проблемы, и
воплотить эти ценности;
− разработать и оценить различные альтернативные решения для
удовлетворения этих спецификаций;
− решить, какой из них должен быть детально разработан и
изготовлен.
Важным фактором в реалистическом дизайне является ограничение
времени. Проектирование происходит в соответствии с навязанными
графиками, и в конечном итоге приходиться соглашаться на дизайн, который
может быть не идеальным, но считаться «достаточно хорошим».
Во многих случаях время является единственным конкурентным
преимуществом. Основной задачей для дизайнера является написание
спецификаций для технического продукта. Спецификации - это утверждения, в
которых четко указывается, каким должно быть устройство или продукт.
Проект технических систем направлен на достижение соответствующих
проектных спецификаций и основывается на четырех характеристиках: [8]
− сложность;
− компромиссы;
− пробелы в конструкции;
− риск.
Проектирование систем управления является конкретным примером
инженерного проектирования. Целью проектирования инженерного управления
29
является получение конфигурации, спецификаций и идентификация основных
параметров предлагаемой системы для удовлетворения фактических
потребностей и включает в себя следующие шаги: [13]
1) установление системных целей;
2) определение переменные, которыми необходимо управлять;
3) разработка спецификации с точки зрения точности, которую
необходимо достичь. Эта требуемая точность контроля затем приведет к
идентификации датчика для измерения контролируемой переменной;
4) настройка параметров системы для достижения желаемой
производительности. [4]
Что же касается непосредственного структуры общего процесса
поэтапного проектирования АСУ ТП, отметим, что таковая представлена ниже
на рисунке 7. [11]
Рисунок 7 – Схема поэтапного проектирования АСУ ТП [25]
30
Основные подходы к проектированию:
1) Функционально-модульный или структурный подход – включает в
себя системный анализ с одной стороны и инженерный дизайн с другой.
Системный анализ создает понимание системы, ее элементов и среды,
которая описывает их функциональные, структурные и поведенческие аспекты.
Инженерный дизайн преобразует эксплуатационные потребности
пользователей в системные архитектуры, требования к производительности и
функциональности для системных элементов, а также определения внутреннего
и внешнего интерфейса;
2) Объектно-ориентированный подход – основное внимание уделяется
описанию структуры и поведению объектов управления, и созданию
небольших модулей, объединяющие как данные, так и процессы.
Основная цель объектно-ориентированного подхода - повысить качество
и производительность проектирования, сделав его более удобным для
использования.
На этапе анализа используются модели для заполнения разрыва между
проблемой и решением.
Объектно-ориентированный подход хорошо работает в ситуации, когда
системы постоянно проектируются, адаптируются и обслуживаются, он
идентифицирует объекты в проблемной области, классифицируя их с точки
зрения данных и поведения.
Сравнение функционально-модульного и объектно-ориентированного
подхода приведено в таблице 2.
Каноническое проектирование – состоит из восьми стадий и
ориентированно на каскадную модель жизненного цикла АСУ ТП. Стадии и
этапы проектирования стандартизированы в ГОСТ 34.601-90 и включают в себя
формирование требований к проектируемой системе, создании концепции и
технического задания, эскизного, технического, рабочего проектов, ввода в
действие системы и ее дальнейшее обслуживание.
31
Таблица 2
Сравнение функционально-модульного и объектно-
ориентированного подхода
Функционально-модульный подход
Объектно-ориентированный подход
Система делится на модули или функций.
Система делиться по классам
объектов управления.
Модули и функции вызываются поочередно
В системе передаются сообщения
между классами.
Повторное использование программного
обеспечения невозможно.
Возможность многократного
использования
Четкий переход от проектирования к
реализации
Не очень понятен переход от
дизайна к реализации.
Подходит для небольших систем и
проектов
Подходит для больших систем
реального времени
Трудно модернизировать и расширять
систему
Легко добавить новый функционал.
Типовое проектирование – предусматривает использование готовых
элементов и применимо, если есть возможность провести декомпозицию
проектируемой системы. Для каждой части системы выбирается готовое
типовое проектное решение. Достоинства по сравнению с каноническим
проектированием:
− модульный подход, возможна параллельные разработка проекта;
− высокая степень интеграции элементов;
− сокращение затрат на проектирование за счет готовых решений;
− легкая масштабируемость системы.
Недостатки по сравнению с каноническим проектированием:
− возможны большие затраты на сопряжение разнородных типовых
решений;
− возможны трудности при привязки типового решения к
конкретному объекту;
− требуется много времени на доработку типового решения, если его
функционала недостаточно.
Параметрическое ориентированное проектирование – основано на
выборе оптимального пакета программ для реализации АСУ ТП и состоит из
выбора критериев оценки, анализа объекта автоматизации и получения оценки
по выбранным критериям, доработки пакета программ под объект.
32
Модельно-ориентированное проектирование – заключается в адаптации
типовой системы к автоматизируемой, путем выбора и доработки типовых
модулей из репозитария.
В первой главе выпускной квалификационной работы определены
структура, назначения цели создания АСУ ТП, перечислены основные виды
систем, выделены назначение и характеристики, получены следующие
авторские выводы:
− АСУТП позволяет автоматизировать технологический процесс для
снижения стоимости и повышения качества управления;
− существует множество моделей для разработки систем управления,
каждая модель эффективна для определенных проектов, различных размеров
систем и требований;
− модель водопада и спиральная модель широко используются в
развивающихся системах, но спиральная модель имеет большую стоимость
разработки системы и возможность вносить изменения на любой стадии
разработки;
− поскольку технологический процесс разделения атмосферного
воздуха хорошо изучен и в процессе создания АСУ ТП не потребуются
постоянные изменения, выберем модель водопада, как имеющую низкую
стоимость и предполагающую развитие системы;
− технологический процесс разделения воздуха можно рассматривать
как совокупность независимых контуров регулирования, управляемых
параллельно, поэтому объектно-ориентированный подход будет наиболее
эффективным из-за возможности повторного использования моделей.
Проведенные исследования и полученные авторские выводы позволяют
перейти к рассмотрению материала второй главы, посвященной построению
АСУ ТП разделения атмосферного воздуха.
33
ГЛАВА 2. ОСНОВНЫЕ АСПЕКТЫ ПОСТРОЕНИЯ АСУ ТП
РАЗДЕЛЕНИЯ АТМОСФЕРНОГО ВОЗДУХА
2.1. Структура, функции и особенности проектирования АСУ ТП
разделения атмосферного воздуха
Структурная схема системы приведена на рисунке 7.
Рисунок 7. Структурная схема АСУ ТП разделения атмосферного
воздуха
Структурная схема системы включает в себя:
− станции оператора HIS0262, HIS0263;
− станция заместителя начальника цеха HIS0261;
− станция оператора, инженера HIS0264 для конфигурирования и
обслуживания системы;
− OPC-сервер OPC0258;
− принтер черно-белый (PR0272) и принтер цветной (PR0271);
− пульт аварийного останова (ПАО1);
− шкаф распределения питания ШРП-01;
− источник бесперебойного питания 15 кВА ИБП1, ИБП2;
34
− устройство аварийного включения резерва АВР1;
− Шкаф 1 ПАЗ SCS, ПАЗ реле;
− Шкаф 2 ПАЗ барьеры, Шкаф 3 ПАЗ кросс;
− Шкаф 4 СУ FCS, СУ реле;
− Шкаф 5 СУ барьеры, Шкаф 6 СУ кросс;
− шкафы связи ШСВ1, ШСВ2 с коммутаторами HUB0201-HUB0204.
Станции оператора HIS0262, HIS0263, принтеры и пульт аварийного
отключения ПАО1 располагаются в ЦПУ к. 1241, станция заместителя
начальника цеха находятся в комнате заместителя начальника цеха в к.1229 ,
остальные элементы находятся в аппаратной АСУ ТП к. 1241.
Функционально АСУ ТП цеха будет состоят из двух подсистем:
распределенной системы управления (РСУ) и ПАЗ, которая работает
независимо от РСУ и реализует функции безопасности, переводя
технологический процесс вместе с РСУ в заранее определенное безопасное
состояние. Все остальные функции выполняет РСУ.
Рассмотрим перечень выполняемых функций АСУТП:
1) Функция автоматизированного сбора и первичной обработки
технологической информации, определение значений параметров по
измеренным сигналам, должна включать в себя опрос аналоговых и дискретных
датчиков, фильтрацию сигналов от высокочастотных помех и выбросов,
масштабирование и перевод в действительные значения в соответствии с
градировочными характеристиками аналоговых измерительных элементов;
2) Функция автоматического контроля состояния технологического
процесса, должна включать в себя предупредительную сигнализацию при
выходе технологических показателей за установленные границы;
3) Функция управления технологическими режимами в реальном
масштабе времени должна обеспечиваться реализацией основных законов
регулирования (ПИД регулятор, соотношение, упреждение и т.д.). В каждом
контуре предусмотрена возможность дистанционного («ручного») управления
со станций оператора-технолога, а также безударный переход с режима ручного