Рисунок 2 - Составные части АСУ ТП
1.2. Назначение и характеристики современных АСУ ТП
Основные области применения современных АСУ ТП:
1) Производство и передача электроэнергии;
2) Добыча и транспортировка природных ресурсов;
3) Производство материалов и товаров народного потребления.
Основные характеристики современных АСУ ТП:
1) Показатели живучести – определяют вероятность отказа одного
или нескольких компонентов АСУ ТП, для повышения живучести
применяют дублированные, либо даже троированные системы для особо
опасных производств;
2) Показатели точности управления – определяют возможности АСУ
ТП поддерживать заданные параметры технологического процесса. Для
наиболее сложных процессов применяют специализированные
программные пакеты, работающие на выделенных серверах и способные
рассчитывать до миллиона параметров в секунду;
3) Метрологические показатели определяют точность измерения
физических величин технологического процесса. Точность современных
15
систем ограничена лишь возможностями средств измерения и управления,
входящих в состав АСУ ТП и зависят от технологического процесса;
4) Показатели эффективности позволяют оценивать результат
внедрения АСУ ТП, а также определять пути дальнейшего развития
автоматизации технологического процесса;
5) Показатели безопасности – характеризуют безаварийную работу
АСУ ТП. Современные системы имеют выделенные, независимые
компоненты безопасности, функционирующие независимо от основной
системы;
6) Показатели надежности функционирования – характеризуют
количество ошибок управления и отказов системы.
В качестве основных целей автоматизации технологических
процессов производства большинство исследователей на сегодняшний
день выделяют такие как, повышение:
1) эффективности производственного процесса;
2) безопасности;
3) экологичности;
4) экономичности [12].
Помимо основных целей автоматизации технологических процессов
производства, так же можно выделить ряд дополнительных целей,
являющихся основой для достижения основных. [13]
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:
16
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].
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
17
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 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 3. [11]
18
Рисунок 3 – Схема поэтапного проектирования АСУ ТП [25]
1.3. Обобщенная техническая структура АСУ ТП
Информационная модель АСУ ТП формируется на основе
поступающих в систему потоков информации, формирующих входные и
выходные потоки, и потоков информации между различными уровнями
системы, рисунок 4. [8]
19
Рисунок 4 - Информационная модель АСУ ТП
Средства верхнего уровня АСУ ТП предназначены для визуализации
технологического процесса и состояния оборудования, формирования и
выдачи различных сообщений, передачи управляющих параметров,
задаваемых оперативным технологическим персоналом (ОТП) в ручном
режиме, на нижний уровень. [24]
Средства нижнего уровня обеспечивают сбор данных и
управляющие воздействия на процесс. [24]
20
Для определенных отраслей, где точность и безопасность имеют
первостепенное значение, необходимы специальные знания и алгоритмы
ПИД-регуляторов. Такие задачи требуют заданий опытных программистов
и алгоритмов автоматической настройки. ПЛК обеспечивают большую
гибкость и свободу программирования для удовлетворения более широких
потребностей. [8]
Затраты сил инженерного персонала оптимизируются за счет
использования стандартных функциональных блоков, которые могут
применяться многократно, гибких возможностей связи блоков между
собой. ПЛК может предложить пользователям автоматические настройку
ПИД-регулятора, который обеспечивает более быстрый контроль
параметра без перерегулирования или колебаний, и, более стабильное
управление без необходимости ручного вмешательства. [13]
Пример ПЛК контроллера, оптимизированного для задач ПИД-
регулирования приведен на рисунке 4. [18]
PLC400 - это модульный ПЛК, предназначенный для удовлетворения
строгих нормативных и технических требований. Используя открытую
промышленную стандартную платформу IEC61131-3 CODESYS, ПЛК
позволяет упростить проектирование с помощью единой интегрированной
среды программирования и визуализации. Включает библиотеки
расширенных функциональных блоков для: [13]
регулирования;
управления и хранения данных;
автоматической настройки.
21
Рисунок 5 – ПЛК контроллер Eurotherm PLC400 и сенсорная панель
HMI150
В контроллер встроены уникальные функции ПИД-регулирования,
разработанные Eurotherm, что позволяет ускорить ввод в эксплуатацию и
значительно повысить качество управления, а также облегчить
соответствие нормативным требованиям и требованиям конечных
потребителей. [13]
Eurotherm разработал защищенный от несанкционированного
доступа формат файлов UHH, который превосходит альтернативный
редактируемый формат CSV-файлов, обычно встречающихся в ПЛК. [13]
Связь Ethernet обеспечивает подключение к технологиям Industrial
Internet of Things и Industry 4.0, что позволяет интегрировать контроллер в
современные системы интеллектуального управления производством. [13]
Для обеспечения эффективности работы PLC400 имеет встроенный
веб-сервер для удаленного просмотра на мобильных устройствах, а также,
22
может использоваться с локальной визуализацией, такой как сенсорная
панель HMI150, рисунок 5. [16]
В случае, когда требуется осуществлять управление сотнями
контуров регулирования, наиболее эффективно применить распределённые
системы управления. В этих системах основные вычислительные процессы
проходят на мощных серверах, где могут применяться любые способы
настройки и языки программирования. [16]
В таких системах реализуется многоуровневое управление
процессом, сбор информации с датчиков производится промышленным
контроллером, который может производить расчет управляющего
воздействия в реальном времени, а коррекция коэффициентов регулятора
проводиться верхнем уровнем, который представлен программным
обеспечением, установленным на сервере. [16]
Программное обеспечение верхнего уровня, проводя анализ всего
процесса предприятия производит пересчет коэффициентов регулирования
каждого регулятор, используя в качестве входных данных историю
процессов, а также, текущие параметры, установки, задания. [16]
На рисунке 6 приведена схема распределенной системы управления
Yokogawa CENTUM VP. [16]
Центральный сервер, на рисунке 6, обозначен как UGS. HIS – это
станция оператора, которая позволяет контролировать весь
технологический процесс. Рабочее место инженера развернуто на
отдельном компьютере - ENG, что позволяет проводить работы по
обслуживанию и модернизации системы, не отвлекая оперативный
персонал. [17]
23
Рисунок 6 - Схема структурная Yokogawa CENTUM VP
Yokogawa CENTUM VP использует свое решение для передачи
данных Vnet, которое построено на двух параллельных каналах Ethernet.
Такое решение, помимо отказоустойчивости, позволяет балансировать
нагрузку и обеспечивать гарантированное время передачи информации,
что необходимо для управления технологическим процессом в реальном
времени. [17]
В первой главе выпускной квалификационной работы проведена
классификация АСУ ТП, перечислены основные виды систем, выделены
назначение и характеристики, получены следующие авторские выводы:
1) назначением АСУТП является повышение эффективности
технологического процесса, безопасности, экологичности и
экономичности;
24