АСУ ТП — автоматизированная система управления технологическим процессом. Это комплекс технических и программных средств, предназначенных для автоматизации управления производственными задачами. Главная идея — управление оборудованием и процессами осуществляется не человеком напрямую, а с помощью технических устройств и программных систем в реальном времени. Это исключает влияние человеческого фактора, ускоряет операции и снижает количество ошибок.

Функции АСУ ТП подразделяются на информационные, управляющие и вспомогательные. Перечень типовых функций приведен ниже.

I. Информационные

Централизованного контроля

• измерение, оперативное отображение и регистрация значений технологических параметров и показателей состояния оборудования;
• обнаружение, оперативное отображение, регистрация и сигнализация отклонений значений технологических параметров и показателей состояния оборудования от установленных пределов;
• контроль, оперативное отображение, регистрация я сигнализация срабатывания блокировок и защит;
• оперативное отображение и регистрация результатов математических и логических операций, выполняемых КТС.

Вычислительных и логических операций

• косвенные измерения технологических параметров и показателей состояния оборудования;
• вычисление и анализ обобщенных показателей оценки текущего состояния ТОУ и его составляющих;
• анализ срабатываний блокировок и защит;
• диагностика протекания технологического процесса и состояния оборудования;
• прогнозирование хода технологического процесса и состояния оборудования;
• расчет технико-экономических и эксплуатационных показателей функционирования ТОУ;
• подготовка информации и выполнение процедур обмена информацией со смежными и вышестоящими системами управления.

II. Управляющие:

• определение рационального режима ведения технологического процесса;
• формирование и передача на входы исполнительных устройств управляющих воздействий;
• выдача оператору рекомендаций по управлению технологическим процессом.

III. Вспомогательные:

• обеспечение алгоритма функционирования системы;
• формирование информационных массивов;
• ведение информационной базы;
• диагностика состояния КТС.

Перечень функций конкретной АСУ ТП устанавливается техническим заданием на создание АСУ ТП.

Функции АСУ ТП можно реализовать в следующих режимах:

• информационном. При реализации этого режима осуществляется сбор и обработка технологической и др. информации об объекте управления. Эта информация может выдаваться на экран, принтер, табло и другие устройства в виде таблиц, схем, рисунков, отдельных значений. При этом на объекте могут действовать автономно и без прямого вмешательства оператора локальные системы автоматического регулирования, часто называемые системами автоматического управления. Такие системы могут состоять из простых контуров управления (одного для каждой пары входных и выходных пе­ременных процесса) или из более сложных регуляторов со многими входами и выхо­дами. Фактически этот режим соответствует режиму работы систем диспетчерского управления и сбора данных.
• информационно–советующем. Он включает, кроме функций информационного режима, расчет по определенным алгоритмам значений основных управляющих воздействий и выдают оперативному персоналу рекомендации по управлению процессом;
• супервизорном, или комбинированном (setpoint control). Он включает, кроме функций информационно-советующего режима, реализацию уставок в виде автоматического изменения заданий регуляторам и параметров настройки локальных систем регулирования.
• прямого цифрового управления (ПЦУ, Direct Digital Control — DDC), при котором обеспечивается непосредственное управление исполнительными устройствами от центрального компьютера;
• распределенного прямого цифрового управления (РПЦУ, Distributed Direct Digital Control— DDDC).

В настоящее время существуют два основных подхода к реализации обратной связи в вычислитель­ных системах.

При традиционномпрямом цифровом управлении центральная ЭВМ рассчитывает управляющие сигналы для исполнительных устройств. Все данные наблюдения передаются в полном объеме от датчиков к центру управления, а управляющие сигналы — обратно к исполнитель­ным устройствам.

В системахраспределенного прямого цифрового управлениявычислительная система имеет распределенную архитекту­ру, а цифровые регуляторы реализованы на основе локальных процессоров, т. е. рас­положены вблизи технического процесса. ЭВМ верхних уровней уп­равления рассчитывают опорные значения, а локальные процессоры ответственны главным образом за непосредственное управление техническим процессом, т.е. вы­работку управляющих сигналов для исполнительных механизмов на основе данных локального мониторинга. Эти локальные ЭВМ включают в себя цифровые контуры управления.

С точки зрения структурирования уровней управления и обработки, различие между прямым цифровым управлением и распределенным прямым цифровым уп­равлением заключается в том, что в первом случае, даже при наличии нескольких ЭВМ, они занимаются только передачей информации и не принимают решений (кроме центрального) об управляющих действиях. Напротив, в распределенной структуре ЭВМ на уровнях процесса, участка и общего управления могут действо­вать более или менее автономно и не зависят от центральной ЭВМ. Как уже указыва­лось, это различие влияет и на надежность сложной системы. При отказе централь­ной ЭВМ управляющая система типа ПЦУ останавливается, а распределенная система, даже при отказе одного или нескольких элементов, хотя и утратит часть функций, но будет продолжать работу.

Более простая и устаревшая форма автоматизированного управления — это так называемоеуправление опорными значениями. ЭВМ рассчитывает опорные значения, которые затем передаются обычным аналоговым регуляторам. В этом случае ЭВМ применяется только для вычислений, а не для непосредственного управления исполнительными механизмами.

Состав асутп

Выполнение АСУ ТП функций по контролю и управлению ТОУ обеспечивается взаимодействием ее составных частей, перечень которых приведен ниже.

Техническое обеспечение — комплекс технических, средств: получения информации о состоянии ТОУ, формирования и передачи информации, локального регулирования и управления, вычислительной техники, представления информации оперативному персоналу передачи информации в смежные и вышестоящие АСУ, исполнительные устройства.

Программное обеспечение состоит из общего и специального.

Общее программное обеспечение – операционная система, компиляторы /трансляторы/, библиотеки стандартных программ и т. д.

Специальное программное обеспечение — программы сбора и обработки информации, расчетные программы, программы контроля и управления и др. Все они реализуют функции АСУ ТП.

Информационное обеспечение — единая система классификации и кодирования технологической и технико-экономической информации, справочная и оперативная информация.

Организационное обеспечение — описание функциональной, технической и организационной структур АСУТП; инструкции и регламенты для оперативного персонала.

Эксплуатационный персонал – операторы-технологи, мастера-технологи, осуществляющие эксплуатацию ТОУ и АСУТП (АТК).

Обслуживающий персонал АСУТП обеспечивает заданное функционирование системы в целом, т.е. поддерживает оборудование в работоспособном состоянии и осуществляет сопровождение математического и программного обеспечения системы.

Классификация асу тп

Общеотраслевые руководящие материалы по созданию и применению АСУ ТП в отраслях промышленности для классификации АСУ ТП устанавливают следующие признаки:

• уровень, занимаемый системой в организационно-производственной иерархии (табл.1):

• нижнего уровня – АСУ ТП технологических агрегатов, установок, участков;
• верхнего уровня – АСУ группой установок, цехом, не включая АСУ ТП нижнего уровня;
• многоуровневые – то же, включая АСУТП нижнего уровня.

Таблица 1

Класс АСУ ТП	Кодовый индекс	ТОУ
АСУ ТП нижнего уровня	1	Технологические агрегаты, установки, участки
АСУ ТП верхнего уровня	2	Группы установок, цеха, производства; не включают АСУ ТП нижнего уровня
АСУ ТП многоуровневые	3	Группы установок, цеха, производства и включают АСУ ТП нижнего уровня

• характер протекания управляемого технологического процесса во времени (табл.2), определяемый непрерывностью или дискретностью поступления исходных материалов, сырья и реагентов, наличием или отсутствием длительных установившихся и переходных режимов функционирования ТОУ, наличием и длительностью дискретных операций по переработке входных потоков (табл. 2).

Таблица 2

Класс АСУ ТП	Кодовый индекс	Характер технологического процесса
АСУ непрерывным ТП	Н	Непрерывный с длительным поддержанием режимов, близких к установившимся, и практически безостановочной подачей сырья и реагентов
АСУ непрерывно-дискрет-ным ТП	П	Сочетание непрерывных и прерывистых режимов функционирования различных технологических агрегатов или на различных стадиях процесса (в том числе периодические процессы)
АСУ дискретным ТП	Д	Прерывистый, с несущественной для управления длительностью технологических операций

• информационная мощность (табл.3), характеризуемая числом технологических переменных, измеряемых или контролируемых в данной АСУ ТП;

Таблица 3

Условная информационная мощность	Кодовый индекс	Число измеряемых и контролируемых технологических переменных
		Минимум	Максимум
Наименьшая	1	10	40
Малая	2	41	160
Средняя	3	161	650
Повышенная	4	651	2500
Большая	5	2501	Не ограничено

• уровень функциональной надежности АСУ ТП (табл.4), влияющий на показатели ее эффективности;

Таблица 4

Уровень функциональной надежности	Код	Краткая характеристика уровня надежности
Минимальный	1	Не регламентируется, не требуется специальных мер
Средний	2	Регламентируются, но отказы в АСУ ТП не приводят к остановам ТОУ
Высокий	3	Жестко регламентируется, так как отказы в АСУ ТП могут привести к останову ТОУ или аварии

• уровень функционирования АСУ ТП (табл.5), характеризуемый совокупностью информационных и управляющих функций системы

Таблица 5

Условное наименование типа функционирования АСУ ТП	Код	Краткая характеристика особенностей функционирования системы
Информационный	И	Автоматически выполняются только информационные функции, решения по управлению принимает и реализует оператор
Локально-автоматический	Л	Автоматически выполняются информационные функции и функции локального управления. Решения по управлению процессом в целом принимает и реализует оператор
Советующий	С	Автоматически выполняются функции информационные, локального управления и с помощью модели процесса формируются советы по выбору управляющих воздействий с учетом критерия
Автоматический	А	Все функции АСУ ТП, включая управление процессом по критерию, выполняется автоматически

• принцип распределения функций реализации управляющих воздействий между компьютерными устройствами, входящими в состав КТС АСУТП.

Распределенные АСУТП включают в свой состав несколько устройств обработки информации (компьютеров или специализированных устройств типа регулирующих микроконтроллеров, установленных на различных участках агрегата или вдоль технологической линии), причем функции управления реализуют одновременно несколько из них. При этом все компьютеры системы могут быть объединены в сеть, и специальные сетевые ОС поддерживают распределение основных задач (процессов) программного обеспечения АСУТП по процессорным устройствам ЭВМ.

В нераспределенных системах функции реализации управляющих воздействии выполняются одной ЭВМ, обычно центральной в АСУТП.

Устаревшие классификации.

• по критерию сложности объектов управления (1970г.) применительно к предприятиям с непрерывным и непрерывно-дискретным характером производства, за критерий которой взято число контролируемых параметров и управляющих воздействий в соответствии с ростом сложности объекта управления (табл.6).

Таблица 6

Основная характеристика класса АСУТП	Основные функциональные признаки	Типовые примеры объектов управления
1	2	3
1-0. Автоматизированная система программного управления	Управление по жесткой программе с предварительно запрограммированными воздействиями	Станки, смесеприготовители, полиграфические машины
1-1. АСУ технологическими установками с малым числом контролируемых и регулируемых параметров (до 20)	Измерение, индикация, регистрация и одноконтурное регулирование параметров	Топки паровых котлов, весовые дозаторы, установки автоматического пожаротушения
1-2. АСУ технологическими установками или агрегатами с малым числом контролируемых и регулируемых параметров (около 40)	То же, что для класса 1-1, и логические опе-рации	Технологические котельные, печи, нагревательные колодцы и фурмы доменных печей, ректификационные колонки
1-3. АСУ технологическими установками, агрегатами или процессами со средним числом контролируемых, регулируемых и оптимизируемых параметров (около 100)	То же, что для класса 1-2, и многоконтурное регулирование	Конверторы, секционные печи, химические реакторы, установки первичной переработки нефти, комплексы шихтоподготовки обогатительных и агломерационных фабрик
1-4. АСУ технологическими агрегатами или процессами с большим числом регулируемых и оптимизируемых параметров (около 800)	То же, что для класса 1-3, и вычисление технико — экономических показателей	Энергоблоки, прокатные станы, доменные печи, атомные реакторы, производство этиленбензола, производство печной сажи
1-5. АСУ технологическими переделами и производствами с агрегатами и установками, для местного управления которыми средства вычислительной техники не используют	То же, что для класса 1-4, и диспетчеризация при одноступенчатом уровне	Электролизные цеха производства серной кислоты, искусственного волокна, агломерационные фабрики, обогатительные фабрики
1-6. АСУ технологическими переделами и производствами с агрегатами и установками, оснащенными средствами вычислительной техники	То же, что для класса 1-5, но при двухступенчатом управлении	Конверторные цеха, доменные печи, цементные заводы, сернокислотные производства, обогатительные комбинаты

• по функционально-алгоритмическому признаку. Представляется целесообразным разделить по функционально-алгоритмическому признаку системы управления технологическими процессами на базе управляющих ЭВМ на три класса (табл.7). Такая классификация в определенной мере условна, поскольку функции, выполняемые системами указанных классов, могут в ряде случаев перекрываться.

Таблица 7

Основная характеристика класса АСУТП	Основные функциональные признаки	Типовые примеры объектов управления
1. Системы логико-программного управления (группой однотипных технологических установок)	Прямое цифровое управление по жесткой или полужесткой программе в режиме разделения времени между управляемыми установками	Группы автоматизированных постов контроля или испытаний изделий электронной техники, прецизионных механообрабатывающих станков, термического оборудования
2. Системы оптимального управления (технологическим процессом или режимами технологической установки)	Решение задач оптимизации на основании получаемой от управляемого объекта информации и принятых математических моделей, выработка регулирующих воздействий или советов оператору в реальном времени	Химические реакторы, трубопрокатные станы, группа диффузионных печей, установки первичнойпереработки нефти
3. Системы комплексного управления (технологической линией, участком, цехом) — АСУОТП	Автоматический или полуавтоматический сбор, обработка, наглядное отображение технологической и организационно-производственной информации, управление через оперативный персонал ходом технологических процессов	Технологические линии производства интегральных схем, кинескопов, энергоблок атомной электростанции, сернокислотное производство, доменная печь, тепловая электростанция

Осуществляя управление технологическим процессом, ЭВМ получает информацию о ходе процесса и выдает регулирующие воздействия (в частном случае — советы оператору) в соответствии с алгоритмом управления, заложенным в виде программ в запоминающие устройства.

К 1-му классу АСУТП относятся системы с наиболее простой формой алгоритма управления — полностью запрограммированным ходом процесса (ранее его вел оператор). Основная функция центрального процесса АСУТП – логические операции по выполнению нескольких программ (в частном случае — одной) с автоматическим распределением времени. Типовым алгоритмом управления служит заранее установленная последовательность логических операций с условным или безусловным переходом от одной позиции к другой.

К системам 1-го класса относятся, в частности, системы прямого многоканального цифрового регулирования (стабилизация параметров) или системы прямого цифрового управления металлорежущими станками.

В общем случае при управлении с помощью ЭВМ рядом технологических установок в запоминающем устройстве хранится число программ, реализующих типовой алгоритм, соответствующее числу объектов управления. При этом с помощью специальной программы — диспетчера организуется мультипрограммный режим работы машины.

АСУТП 2-го класса достаточно широко применяются в непрерывных и непрерывно-дискрет-ных производственных процессах. Главной функцией центрального процессора в таких системах являются выполнение на основании входных данных, получаемых от объекта управления, математических операций и выработка по результатам вычислений регулирующих воздействий.

Алгоритм управления процессом (объектом), как правило, разрабатывается на основе его детерминированной или статистической модели, что позволяет оптимизировать, т.е. управлять процессом с целью удовлетворить некоторый критерий.

К системам 2-го класса относятся, в частности, системы прямого многосвязного цифрового управления с оптимизацией, системы управления последовательными технологическими операциями, связанными по качеству, системы адаптивного управления технологическими комплексами.

АСУТП 3-го класса в основном охватывают среднюю ступень иерархических систем управления производством. Это класс организационно-технологических АСУ-АСУОТП.

Главной функцией технологического характера является управление через оперативный персонал (операторов, технологов и т.д.) ходом технологических процессов на основании статистической обработки технологической информации и текущего планового задания.

Поскольку 3-й класс систем охватывает группу технологических процессов, а следовательно, и ряд различных технологических установок и целые производственные подразделения, то в функции этих систем включают также обработку планово-производственной информации и управление (по результатам этой обработки) оперативным персоналом, работой участка, цеха. Из вышесказанного следует, что алгоритмы отдельных задач, решаемых АСУТП 3-го класса, весьма разнообразны, носят в первую очередь информационно-вычислительный характер и каждый алгоритм в отдельности прост для программирования. Однако в целом задача анализа и прогноза хода производственного процесса (например, реализация алгоритма управления технологическим процессом в целях оптимального номенклатурного распределения выпускаемых изделий в зависимости от планового задания) может быть весьма сложной.

Следует отметить, что системы 3-го класса могут вырастать из систем 1-го и 2-го классов, когда ЭВМ осуществляет централизованное управление (логико-программное или оптимальное) группой технологических установок на уровне производственного участка, линии, цеха и на нее возлагаются дополнительные функции оперативно-диспетчерского управления с анализом работы производственного подразделения и прогнозом его дальнейшего хода.

Особенности систем цифрового управления

Управление технологическим процессом представляет лишь только часть проблем, решаемых АСУТП: другая часть – это компьютерные средства. Система управления используется не только для регулирования и определения последовательности операций (бинарное управление), но и должна выполнять ряд дополнительных функций: сбор и обработка технологической информации, распознание нештатных ситуаций и реагирование на них, отображение информации технологическому персоналу и оператору, выполнение команд операторов и пр. При разработке проекта, включая необходимость вычислительных ресурсов, необходимо исходить из требований, предъявляемых ко всей технической системе. Основное требование – ресурсы системы должны соответствовать целям управления и параметрам управляемой системы (табл.1).

Таблица 1 — Характеристики управляемого технологического процесса,

влияющие на решения по системе управления

Характеристика	Соответствующие характеристике компоненты проекта системы управления
Масштаб времени	Динамика системы, модели системыЧастота измеренийЧастота управляющих воздействийТребование к аппаратным средствамТребования к программному обеспечению
Тип переменных процесса	Измерительная аппаратура, датчикиЧастота измерений
Возмущения в измерениях	ФильтрацияВид обработки
Управляемость системы	Аппаратные средства управления, исполнительные механизмы
Уровень сложности системы	Стратегия управления, взаимосвязь входных и выходных сигналовАлгоритмы регулированияТребование к аппаратным средствамТребования к программному обеспечениюОперационная система, языки программированияТребования к коммуникациям
Назначение (цель) системы	Стратегия управления
Топология информационных потоков	Сбор данных, коммуникации, сети, протоколыМежпрограммный обменРаспределенное управление
Интерфейс оператора	Психологические факторыИнтерфейс пользователя
Централизованное или распределенное управление	Архитектура системыРаспределение ресурсовНадежность

Отображение развития процесса во времени. Данные, полученные в результате измерений, должны с требуемой точностью отражать динамику процесса. Особую важность при этом имеет частота выборки, т.е. периодичность измерения новых данных. Ее определение обычно является нетривиальной задачей.

Высокая частота выборки влечет за собой большую загрузку компьютера, т.к. он должен обрабатывать больше данных. Это означает, что число измерений необходимо минимизировать, однако их частота должна быть достаточно высокой для обнаружения важных изменений контролируемых параметров процесса. Т.о., должен быть найден компромисс между затратами на измерение и ценой последствий, к которым может привести потеря части информации об изменениях процесса.

На загрузку компьютера влияет не только частота измерений, но и сложность расчетов в промежутках между измерениями.

Сбор данных измерений и обработка сигналов. Все сигналы измерений содержат как полезную информацию, так и помехи. Измерения всегда приблизительны из-за ошибок калибровки, неточности датчиков или наличия шума. Для выделения полезной информации (в соответствии с заданным критерием) из сигнала используются специальные устройства – фильтры. Фильтры могут быть выполнены как по аналоговой, так и по цифровой технологии.

Но даже если мы используем высокоточный датчик и передаем сигнал без помех, полученные данные могут не всегда адекватно представлять интересующие параметры процесса. Например, измерение уровня жидкости может быть некорректным из-за ряби, концентрации – из-за наличия неоднородностей, температуры – из-за неправильного места установки датчика и пр.

Уровень сложности системы. Уровень сложности ТП отражается в первую очередь на конфигурацию компьютера. Кол-во датчиков и исполнительных механизмов определяет необходимое число портов ввода/вывода и в целом требует более мощного процессора, большего объема оперативной и внешней памяти.

Связь между внутренними переменными процесса и его входными или выходными данными определяет сложность программного обеспечения регулирующих устройств. Программы реального времени гораздо труднее отлаживать и тестировать, поэтому их код должен быть хорошо структурирован, дабы ошибки могли быть выявлены как можно раньше.

Топология информационных потоков. Сложные системы управления и мониторинга обычно представляют собой иерархическую структуру на базе соединенных между собой цифровых устройств разного класса. Такой подход называется распределенным прямым цифровым управлением.

Организация взаимодействия между этими устройствами является центральной задачей современных АСУТП. Для рационального использования имеющихся ресурсов необходимо определить вид и количество информации, которой обмениваются компьютерные устройства, — информационные потоки. Но не все компьютеры должны получать подробную информацию о процессе. Особую роль играет надежность передачи информации, т.е. необходимо, чтобы данные достигали своего назначения без искажений и потерь.

Передача информации неотделима от ее стандартизации. Очевидно, что кабели и разъемы должны соответствовать друг другу, уровни сигналов – соизмеримы, а программное обеспечение должно одинаково интерпретировать передаваемые сообщения и сигналы.

Интерфейс оператора. Хотя всегда стремятся к тому, чтобы система функционировала без вмешательства человека, но всегда необходимо иметь возможность взаимодействия с оператором, который должен получать информацию и иметь возможность вводить команды.

Графические интерфейсы компьютерных терминалов становятся все более изощренными. Современные дисплеи обладают возможностями отображения различных данных, включая цветовые палитры с миллионами оттенков, сложных графических объектов, мультипликацию и видео. Однако все это требует больших вычислительных ресурсов, за которые программы интерфейса будут конкурировать с модулем обработки данных и между собой, и поэтому оператор может получать информацию с задержкой.

С другой стороны, не вся информация может ждать. Например, сигналы сбоев, тревоги и другие важные сообщения должны отображаться немедленно. Поэтому при проектировании интерфейса необходимо тщательно отбирать информацию и сопоставлять способ отображения со степенью ее важности в текущий момент, человеческими возможностями воспринимать и адекватно реагировать на нее и имеющимися ресурсами.

Системная интеграция и надежность управления. Ключевым вопросом любой системы управления является надежность, складывающаяся из надежности аппаратных средств и надежности программного обеспечения.

Один из основных недостатков принципа ПЦУ – низкая надежность. Очевидное решение этой проблемы – децентрализация вычислительных ресурсов, при которой небольшие локальные вычислительные устройства управляют отдельными частями сложного процесса.

Практический подход к повышению надежности систем предполагает, с одной стороны, применение отказоустойчивых конфигураций аппаратных средств, c другой – специальные методы проектирования структуры программного обеспечения, средств программирования и отладки, позволяющие исключить с самого начала наиболее вероятные ошибки.

Концепция построения асутп

Типовые архитектуры АСУТП, как правило, включают в себя четыре уровня:

уровень 0 — датчики (рис. 5.8, 5.9) и исполнительные механизмы (рис.5.10);

Рис. 5.8 – Датчики температуры, температуры расплава, перепада давлений

Рис. 5.9 – Датчики перепада давлений, расхода и давления

Рис. 5.10 – исполнительные механизмы (электрический однооборотный (МЭО),

мембранный и регулирующий клапан)

уровень 1 – устройства связи с объектом (рис. 5.11);

Рис. 5.11 – Варианты УСО (подвесной и напольный шкафы УСО,

плата УСО для персонального компьютера)

уровень 2 – контроллеры (рис. 5.12, рис. 5.13). Обычно контроллеры не имеют средств визуализации (кроме локальных средств индикации малой информационной емкости) и средств взаимодействия с оператором, но включают модули УСО. Основу программного обеспечения контроллеров составляют прикладные программы на технологических языках с использованием стандартных языков IEC 61131-3 типа языка релейно-контактных схем, интуитивно понятных специалисту по автоматизации;

Рис. 5.12 – Контроллеры серии I8000 и Siemens Simatic S6

Рис. 5.13 – Контроллер Ломиконт

уровень 3, или верхний уровень (компьютерный). На этом уровне размещаются мощные компьютеры (рис.5.14), выполняющие функции автоматизированных рабочих мест опера-

Рис. 5.14 – Пример рабочего места оператора АСУТП

торов-технологов , серверов баз данных и рабочих станций и обеспечивающие хранение и анализ всей поступившей информации за любой заданный интервал времени, а также визуализацию информации и взаимодействие с оператором. Основой программного обеспечения верхнего уровня являются пакеты SCADA (Supervisory Control and Data Acquisition).

В традиционной схеме, принятой в 70-х …80-х г.г. прошлого века, информация от датчиков поступала в устройство связи с объектом (УСО) центрального компьютера, обычно работающего под управлением операционной системы реального времени и стоящем на верхнем уровне. На этом уровне решались основные задачи, связанные моделированием, расчетом технико-экономических показателей и пр. Здесь же реализовалась стратегия управлением объектом. Управляющие сигналы поступали к объекту управления в виде выходных электрических сигналов на исполнительные механизмы и др. регулирующие органы, либо в виде задания в локальные системы регулирования, построенные на аналоговых технических средствах. С активным внедрением контроллеровтрадиционная схема изменилась: информация от объекта управления с помощью датчиков поступает к контроллерам, контуры управления реализуются через каналы модулей ввода-вывода PLC непосредственно на исполнительные механизмы. К недостаткам схемы следует отнести большие затраты на монтаж, конфигурирование, диагностику, обслуживание и, собственно, на саму кабельную систему.

В связи с этим в настоящее время предлагается опустить некоторый интеллект на уровень 0, заменив передачу аналоговых и дискретных сигналов (4…20 мА и 0..24В) на промышленную сеть. В результате вместо большого количества 2-х, 3-х и 4-проводных линий связи, идущих от множества датчиков и исполнительных механизмов к каналам ввода-вывода PLC, предлагается один «малопроводный» кабель, подключаемый к соответствующему интерфейсному модулю контроллера. Это, помимо экономии на кабельной продукции, позволяет легко подключать датчики и исполнительные механизмы разных производителей к данной сети, выполнять автоматическое и ручное конфигурирование, калибровку, а также обеспечивает широкие возможности по диагностике оборудования.

Многочисленные датчики с дискретными выходами (датчики состояния и датчики со счетно-частотным интерфейсом), а также коммутационные аппараты, включая исполнительные механизмы с многопозиционным регулированием, предлагается подключать к промышленной сети через системы распределенного ввода-вывода.

Аппаратная платформа контроллеров

До последнего времени роль контроллеров в АСУ ТП в основном выполняли PLC (Programmable Logic Controller — программируемые логические контроллеры) зарубежного и отечественного производства. Наиболее популярны в нашей стране PLC таких зарубежных производителей, как Allen-Braidly, Siemens, ABB, Modicon, и такие отечественные модели, как «Ломиконт», «Ремиконт», Ш-711, «Микродат», «Эмикон». В настоящее время получила распространение так называемая открытая модульная архитектура контроллеров — OMAC (Open Modular Architecture Controls). Концепция открытой модульной архитектуры контроллеров была выдвинута фирмой General Motors в 1994 г. Те же или близкие к ним концептуальные требования разрабатываются европейскими и японскими организациями. Целый ряд перспективных программ на базе концепции OMAC поддерживаются правительством США.

В связи с бурным ростом производства миниатюрных PC-совместимых компьютеров последние все чаще стали использовать в качестве контроллеров, причем эта тенденция напрямую связана с концепцией OMAC.

Смысл OMAC-требований к контроллерам вкратце можно сформулировать в терминах, основные из которых представлены в названии архитектуры:

Open (открытая) архитектура, обеспечивающая интеграцию широко распространенного на рынке аппаратного и программного обеспечения;

Modular (модульная) архитектура, позволяющая использовать компоненты в режиме Plug & Play;

Scaleable (масштабируемая) архитектура, позволяющая легко и эффективно изменять конфигурацию для конкретных потребностей;

Economical (экономичная) архитектура, обеспечивающая невысокую стоимость жизненного цикла контроллерного оборудования;

Maintainable (легко обслуживаемая) архитектура, выдерживающая напряженные условия работы в цехах и простая в ремонте и обслуживании (минимальное время простоя).

Первое и главное преимущество PC-контроллеров связано с их открытостью, т. е. с возможностью применять в АСУ ТП самое современное оборудование, только-только появившееся на мировом рынке, причем оборудование для PC-контроллеров сейчас выпускают уже не десятки, а сотни производителей, что делает выбор уникально широким. Это очень важно, если учесть, что модернизация АСУ ТП идет поэтапно и занимает длительное время, иногда несколько лет. Пользователь АСУ ТП уже не находится во власти одного производителя (как в случае с PLC), который навязывает ему свою волю и заставляет применять только его технические решения, а сам (или через своего системного интегратора) может сделать выбор, применяя те подходы, которые в данный момент его больше всего устраивают. Он может теперь применять в своих системах продукцию разных фирм, следя только, чтобы она соответствовала определенным международным или региональным стандартам.

Второе важное преимущество PC-контроллеров заключается в том, что в силу их «родственности» с компьютерами верхнего уровня не требуются дополнительные затраты на подготовку профессионалов, обеспечивающих их эксплуатацию. Эту работу могут с успехом выполнять (и это подтверждается на практике) специалисты, обеспечивающие эксплуатацию компьютеров верхнего уровня. Это позволяет сократить сроки внедрения систем управления и упрощает процедуры их эксплуатации, что в конечном счете приводит к общему снижению затрат на создание или модернизацию АСУ ТП. Отметим также, что очень часто при рассмотрении вариантов построения АСУ ТП затраты на эксплуатацию не учитываются, что, на наш взгляд, является серьезной ошибкой.

Надежность – третье преимущество PC-контроллеров. Обычно рассматривают физическую и программную надежность контроллеров. При этом под физической надежностью понимается способность аппаратуры устойчиво функционировать в условиях окружающей среды промышленного цеха и противостоять ее вредному воздействию, а под программной надежностью понимается способность ПО устойчиво функционировать при возникновении ситуаций, требующих реакции в заданное время. Физическую надежность PLC и PC-контроллеров некоторые специалисты считают одинаковой. Большинство PC-контроллеров ориентированы на работу в тяжелых условиях, например в расширенном диапазоне температур, а также защищены от пыли, влаги, ударов, вибрации и электромагнитных излучений. Программная надежность определяется, прежде всего, степенью отлаженности ПО. Поскольку в PC-контроллерах могут использоваться коммерческие ОС и прекрасно отлаженные прикладные пакеты (сотни тысяч установок), то можно ожидать, что программная надежность, а, следовательно, и общая надежность PC-контроллеров будут выше надежности PLC.

Операционная система PC-контроллеров. Операционная система контроллеров должна удовлетворять требованиям открытости. Но не только им. Специфика условий работы контроллеров требует, чтобы ОС поддерживала работу в режиме реального времени, была компактна и имела возможность запуска из ПЗУ или флэш-памяти.

Для PC-контроллеров лучше всего подходит операционная система QNX (фирма QSSL, Канада). Прежде всего, это связано с тем, что архитектура QNX является открытой, модульной и легко модифицируемой. QNX может загружаться как из ПЗУ, флэш-памяти, так и с помощью удаленной загрузки по сети. QNX разработана в соответствии со стандартами POSIX, является коммерческой операционной системой, широко распространена на мировом рынке (сотни тысяч продаж), поддерживает все шины, используемые в PC-контроллерах, включая ISA, PCI, CompactPCI, PC/104, VME, STD32.

QNX была специально разработана для компьютеров PC, поэтому достигается эффективность и скорость обработки данных, характерная для мощных универсальных и мини-компьютеров. QNX является операционной системой, которая дает полную гарантию в том, что процесс с наивысшим приоритетом начнет выполняться практически немедленно и что критическое событие (например, сигнал тревоги) всегда будет обработано. Она известна как операционная система, функционирующая в «защищенном режиме». Это означает, что все программы в системе защищены друг от друга и любая «фатальная» ошибка в одной из программ не приводит к «краху» всей системы. Файловая система QNX была разработана с учетом обеспечения целостности данных при отключениях питания.

Благодаря тому, что QNX поддерживает средства работы с флэш-памятью (как на стадии загрузки ОС, так и в режиме работы с файловой системой), она обеспечивает очень важную возможность для функционирования контроллеров — работу в так называемом режиме «слепого узла». Это означает, что система может выполняться на процессорном модуле без жесткого/гибкого диска, без монитора и клавиатуры, другими словами, в условиях отсутствия движущихся механических частей. Это создает возможность долговременной работы оборудования в необслуживаемом режиме.

Средства технологического программирования контроллеров. Специфика работы с контроллерами по сравнению с обычными офисными компьютерами состоит не только в ориентации на работу с платами ввода-вывода, но и в преимущественном использовании языков технологического программирования. На промышленных предприятиях с контроллерами могут работать технологи, электрики, хорошо знающие специфику объектов управления и технологического процесса. Для описания процессов обычно используются такие языки, как язык релейно-контактных схем, функциональных блоков и так далее, теоретические основы которых взяты из методов автоматического управления. Накопленный многими фирмами опыт был обобщен в виде стандарта IEC 1131-3, где определены пять языков программирования контроллеров: SFC — последовательных функциональных схем, LD — релейных диаграмм, FBD — функциональных блоковых диаграмм, ST — структурированного текста, IL — инструкций. Важно отметить, что использование данного стандарта полностью соответствует концепции открытых систем, а именно, делает программу для контроллера независимой от конкретного оборудования — ни от типа процессора, ни от операционной системы, ни от плат ввода-вывода. В настоящее время программы многих фирм поддерживают этот стандарт.

Преимущества PC-контроллеров:

• Быстродействие: современный Pentium-процессор превосходит быстродействие PLC более чем в 20 раз.
• Дешевизна: при равных характеристиках (функциональных и конструктивных) PC-контроллеры на 20-30% дешевле PLC.
• Объем ОЗУ: PC предоставляют больше памяти — как оперативной, так и энергонезависимой.

Стадии создания АСУ ТП приведены в таблице 1.

Таблица 1 — Стадии создания АСУ ТП

Стадия	Этап	Содержание работ
Техническое задание	Предварительное обследование и сбор исходных данных	Обследование ТОУ, и определение видов НИР и их объемов
	Предпроектные НИРЭскизная разработка АСУ ТП	Анализ ТОУ, информационных потоков, формулировка критерия Разработка предварительных математических моделей. Предварительная разработка функционально – алгоритмиче­ской структуры, выбора КТС, анализ систем-аналогов
	Техническое задание на создание АСУ ТП	Разработка полного перечня функциональных задач; технико-экономиче­ское обоснование; план-графика выполнения работ
Технический проект	Системно — технический синтез АСУ ТП	Разработка обще системной документации; документации организационного обеспечения; документация информационного обеспечения
	Аппаратурно-технический синтез АСУ ТП	Разработка документации технического обеспечения
	Технические задания на разработку в смежных частях проекта	Разработка соответствующих технических заданий
	Смета на освоение АСУ ТП	Разработка сметы
	Заявочные ведомости	Составление заявочных ведомостей
	Техническое задание на ОМО	Разработка ТЗ
	Технический проект ОМО	Разработка документации на ОМО
Рабочий проект	Техническое обеспечение	Разработка документов
	Общесистемная документация
	Информационное обеспечение
	Организационное обеспечение
	Программное обеспечение
Внедрение	Подготовка объекта к внедрению	Строительно-монтажные работы. Комплектация. Организационно-технические мероприятия. Обучение ремонтно-эксплуатационного персонала
	Наладка АСУ ТП	Наладка КТС. Отладка программ отдельных функций. Комплексная наладка и предварительные испытанияКорректировка документации
	Приемо-сдаточные испытания	Разработка программы испытанияПромышленные испытания
	Сдача АСУ ТП межведомственной комиссии	—
Анализ функционирования	—	Исследование технико-экономиче­ской эффективности. Разработка рекоменда­ций по развитию системы. Выработка требований к модерниза­ции технологического процесса

Этапы создания специализированного программного и информационного обеспечения (спио)

Проектированию программного обеспечения АСУ ТП предшествует алгоритмизация производственного процесса (АПП) — составление его математического описания (математической модели). Источником исходной информации для АПП служат теоретические и экспериментальные данные, а также эвристические неформальные сведения об изучаемом процессе. Эту информацию можно получить заранее (априорные данные) и непосредственно в процессе исследования (апостериорные данные). Существенную роль в изучении сложных процессов играет человек — специалист в данной области, что накладывает отпечаток индивидуальности на схему АПП, делая ее наиболее рациональной для данного ТОУ и конкретных условий исследования. Тем не менее, существует общепризнанная схема АПП, содержащая следующие этапы:

• предварительный анализ задачи алгоритмизации и объекта исследования (выясняются цели и основные этапы исследования, оценивается ожидаемая экономическая эффективность и целесообразности принятой схемы изучения объекта и результатов его алгоритмического анализа);
• структурной описание исследуемого производственного процесса (на этом этапе применяются методы сетевых представлений — схемы, графы для отображения связей между параметрами и элементами производственного процесса);
• теоретический анализ уравнений связи между параметрами процесса и экспериментальное определение статических и динамических характеристик процесса (на этом этапе используются методы идентификации);
• моделирование процесса и проверка адекватности (соответствия) математического описания реальному производству;
• анализ полученной математической модели и выработка рекомендаций по улучшению производственного процесса;
• формулирование оптимальных алгоритмов на основании рекомендаций предыдущего этапа;
• проверку и корректировку полученных результатов в условиях эксплуатации системы.

Разработка СПИО, как составной части АСУ ТП, регламентируется документами определяющими разработку АСУ ТП (в том числе Государственными стандартами на автоматизированные системы управления технологическими процессами). В то же время и на него распространяется действие документов Единой системы программной документации, оговаривающих стадия разработки, этапы и содержание работ, а также виды программ и программных документов. Практически стадии создания СПИО по наименованию те же, что и стадии создания АСУ ТП в целом (табл. 2). При этом допускается объединять, исключать этапы работ и (или) их содержание, а также вводить другие этапы работ по согласованию с заказчиком.

Выпуск технического задания на СПИО осуществляется на стадии разработки технического проекта АСУ ТП и, таким образом, сдвинут относительно окончания разработки технического задания на систему в целом. Работы, проводимые на стадии технического задания для АСУ ТП в целом, включают следующие этапы:

• предварительное обследование автоматизируемого технологического процесса;
• предпроектные научно-исследовательские работы;
• эскизная разработка АСУ ТП;
• разработка технического задания на создание АСУ ТП.

Таблица 2 — Основные стадии разработки программ и программной документации

Стадия разработки	Этапы работ	Содержание работ
Техническое задание(ТЗ)	Обоснование необходимости разработки программыНаучно – исследовательские работы (НИР)Разработка и утверждение ТЗ	Постановка задачи. Сбор исходных материалов. Выбор и обоснование критериев эффективности и качества разрабатываемой программы. Обоснование необходимости проведения научно – исследователь­ских работ. Определение структуры входных и выходных данных. Предварительный выбор методов решения. Обоснование целесообразности применения ранее разработанных программ. Определение требований к техническим средствам.Определение требований к программе. Разработка технико–экономических обоснований к разработке программы. Определение стадий, этапов и сроков разработки программы и документации на нее. Выбор языков программирования.Определение необходимости проведения НИР на последующих стадиях.Согласование и утверждение технического задания.
Эскизный проект (стадию можно исключить).	Разработка эскизного проектаУтверждение эскизного проекта	Предварительная разработка структуры входных и выходных данных.Уточнение методов решения задачи.Разработка общего алгоритма решение задачи.Разработка технико-экономического обоснования.Разработка пояснительной записки.Согласование и утверждение эскизного проекта.
Технический проект (при достаточном обосновании стадию можно исключить)	Разработка технического проектаУтверждение технического проекта	Уточнение структуры входных и выходных данных.Разработка алгоритма решения задачи.Определение формы входных и выходных данных.Определение семантики и синтеза языка.Окончательное определение конфигурации технических средств.Разработка плана мероприятий по разработки и внедрению программы.Разработка пояснительной записки.Согласование и утверждения технического проекта
Рабочийпроект	Разработка программ.Разработка программной документации.Испытание программы	Программирование и отладка программы.Изготовление программы оригинала.Разработка программных документов.Разработки, согласование и утверждение порядка и методики испытаний.Корректировка программы и программной документации по результатам испытаний.
Внедрение	Подготовка и передача программы	Подготовка и передача программы и программной документации для сопровождения и (или) изготовления.Оформление и утверждение акта о выдаче программы и сопровождения и (или) изготовление.Передача программы в фонд алгоритмов и программы.

На этой стадии предпроектных работ производятся теоретические исследования наиболее сложных задач управления для предварительного выбора соответствующих методов их решения. Результатом исследований должно быть описание объекта управления и разработка задания на проведение экспериментальных исследований, в котором содержатся:

• методика проведения эксперимента;
• методика обработки экспериментальных данных;
• форма представления результатов экспериментальных исследований.

Перед проведением экспериментальных исследований уточняются параметры основного эксперимента: необходимые величины возмущений, частота и погрешность измерений длительность и количество опытов и т. п. Дается предварительная оценка выполнима условий, определяющих достоверность информации (оценивается стационарность случайных процессов, воспроизводимость состояний объекта, необходимых для основного эксперимента). Затем получается и обрабатывается вся информация, определенная заданием на экспериментальные исследования. После обработки данных проводятся контрольные исследования. Этап экспериментальных исследований предусматривает получение зависимостей (параметров), составление или уточнение схемы эксперимента и ее описание, уточнение методики обработки полученных экспериментальных данных, получение первичных экспериментальных данных.

На основе анализа технологического процесса как объекта управления и анализа информационных потоков формулируется критерий управления и ограничения, разрабатываются предварительные математические модели, формулируется задача синтеза алгоритмов контроля и управления, осуществляется предварительный выбор методов их решения

Разработка математических моделей для АСУ ТП включает:

• технологическую схему процесса, в которой отдельно изображаются все основные параметры или агрегаты, в отношении которых реализуются функции АСУ ТП., и показываются материальные и энергетические потоки с обозначением на них всех величин, необходимых для характеристики соответствующих потоков;
• описание преобразований веществ и энергии, осуществляемых в технологическом процессе;
• системы уравнений в аналитической форме для каждого из устройств, аппаратов и агрегатов технологического оборудования;
• таблицу величин с указанием наименования обозначаемой величины, ее размерности, диапазона изменения для переменных величин, значения и точности определения этого значения для постоянных величин, способа определения величины;
• способы определения неизвестных функций, входящих в системы уравнений, если эти функции возможно или целесообразно определять лишь в ходе функционирования АСУ ТП.

Для синтеза алгоритмов управления необходимо установить расчетный интервал управления (полное расчетное время суммирования показателей эффективности для вычисления критерия управления) и осуществить декомпозицию (разложение) общей задачи управления на эквивалентное множество более простых задач. На этапе эскизной разработки осуществляется разработка функционально-алгоритмической структуры, предварительный синтез основных алгоритмов контроля и управления. На этом этапе очень полезна экспериментальная проверка алгоритмов управления на действующих установках. Таким образом, на этапе технического задания на систему в целом разрабатывается полный перечень функциональных задач, для решения которых предназначена система. На этапе технического проекта при системотехническом синтезе АСУ ТП разрабатываются постановки для всех задач, решаемых системой. После определения перечня инициативных измеряемых сигналов, схем информационных потоков и состава информационно управляющего — комплекса переходят к завершению фазы Техническое задание на специальное математическое (программное) и информационное обеспечение. Завершение остальных стадий СПИО совпадает с завершением основных стадий разработки АСУ ТП в целом.

Заказать сертификат SIL: https://techdocexpert.ru/sertifikat-sil/

Заказать расчет надёжности: https://techdocexpert.ru/raschot-nadozhnosti-oborudovaniya/