Автоматизированное производство

Автоматизированное производство Процесс разработки АСУ ТП Структура процесса проектирования Рабочее место оператора Интеграция автоматизированных производственных систем Требования эргономики при разработке рабочих мест Инструментальная SCADA-система GENIE Состав АСУТП Анализ надежности некоторых систем АСУ ТП Надежность систем Функции АСУТП Микропроцессорные средства управления систем Классификация АСУТП Математическое описание систем SCADA-система Вопросы к экзамену 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. АВТОМАТИЗИРОВАННОЕ ПРОИЗВОДСТВО Промышленное производство обеспечивает удовлетворение запросов общества в промышленной продукции. Ввиду разнообразия промышленной продукции существуют различные отрасли промышленного производства: машиностроение, металлообработка, приборостроение, химическое производство, нефтепереработка и др. Каждая отрасль характеризуется особенностями основных технологических процессов изготовления продукции. В то же время общие принципы построения производства и управления им едины для различных отраслей. Производство исходит из возникающей в обществе потребности в той или иной продукции и имеет целью удовлетворение этой потребности по приемлемой для потребителя цене. Объем производства определяется количеством продукции, которое может приобрести потребитель по назначенной производителем цене. Изготовление продукции происходит в результате осуществления многих производственных процессов. Вся совокупность производственных процессов образует производственный цикл. Обобщённая схема производственного цикла показана на рис. 1. Начало производственного цикла определятся возникновением спроса на промышленную продукцию. Общая концепция новой продукции и технические требования к ней формулируются в виде технического задания, которое согласуется между заказчиком и производителем продукции. На основе технического задания (ТЗ) разрабатывается технический проект продукции и рабочая документация (рабочий проект) на продукцию. Этот комплекс работ составляет этап проектирования продукции. На основе рабочей документации разрабатываются технологические процессы изготовления продукции, определяются и формируются необходимые материальные ресурсы (технологическое оборудование, инструмент, материалы, заготовки), определяются календарные планы производства продукции. Эти работы составляют этап подготовки производства. Затем наступает этап производства новой (или модернизированной) продукции, в результате которого создаётся новая продукция для удовлетворения возникшей в обществе потребности. Поскольку поступающая к потребителю продукция должна отвечать определённым требованиям, то на стадии производства осуществляется непрерывный контроль качества, целью которого является поддержание требуемого уровня качества технологического процесса и предотвращение попадания брака к потребителю продукции. Повышение эффективности современного производства (снижение себестоимости продукции, повышение производительности производства, сокращение сроков производства) достигается за счёт его комплексной автоматизации. Автоматизация промышленного производства позволяет, в первую очередь, сократить объем человеческого труда при производстве продукции, и свести функции человека, в основном, к функциям управления производством. Средством автоматизации являются автоматизированные производственные системы различного назначения. Такие системы позволяют автоматически выполнять как физические, так и интеллектуальные производственные функции человека. На рис. 2 показана схема использования различных автоматизированных производственных систем на различных этапах производственного процесса. На этапах проектирования и подготовки производства используются системы автоматизации интеллектуальных функций человека в производственном процессе. На этапе производства необходимо автоматически выполнять как физические функции человека в производственном процессе, так и его интеллектуальные функции (в первую очередь, функции управления технологическим оборудованием и процессами). При создании новой продукции или при модернизации существующей продукции необходим большой объем конструкторских работ, выполняемых конструкторами и проектировщиками. При этом в ходе проектирования возникает необходимость в проведении дополнительных исследований для уточнения и обоснования принимаемых конструктивных решений. Для автоматизации проектных работ предназначены системы автоматизированного проектирования САПР и автоматизированные системы научных исследований АСНИ. САПР позволяют автоматизировать процессы геометрического моделирования, черчения, хранение, размножение и сопровождение конструкторской документации; обеспечивают выполнение многих функций конструирования в автоматическом режиме, дают новые возможности конструктору, повышая его производительность труда. АСНИ дополняют САПР и позволяют конструкторам в процессе проектирования исследовать и оптимизировать принимаемые конструктивные решения численными методами. Использование АСНИ повышает обоснованность принимаемых технических решений проекта и позволяет оптимизировать разрабатываемый проект. На основе разработанного в процессе проектирования рабочего проекта продукции выполняется подготовка производства. При подготовке производства основной задачей является разработка технологии изготовления созданной в процессе проектирования продукции и разработка соответствующих технологических процессов. При этом решается задача выбора технологического оборудования и инструмента, определяется последовательность выполнения технологических операций и технологические режимы для каждой операции. Результатом выполнения этих работ будут полные описания всех технологических процессов изготовления продукции и необходимая технологическая документация. При подготовке производства кроме разработки технологии изготовления необходимо решить задачу обеспечения производственного процесса необходимыми материальными ресурсами: обеспечить необходимые объемы заказов на оборудование, инструмент, комплектующие и материалы, а также определить сроки и объемы поставок перечисленных компонентов. Третьей задачей подготовки производства является разработка календарных планов выпуска продукции, включающая краткосрочное и долгосрочное календарное планирование производства. На этапе составления графика производства вырабатывается план, в соответствии с которым производитель (фирма) фактически принимает на себя обязательства выпустить определённое количество продукции в конкретные сроки. Для решения перечисленных задач подготовки производства используется автоматизированная система технологической подготовки производства АСТПП. Эта система состоит из многих подсистем, каждая из которых решает определенные задачи подготовки производства. Все эти подсистемы можно разделить на технологические, используемые при разработке технологии изготовления, и организационные, используемые для организации и обеспечения производственного процесса. На этапе производства осуществляются все необходимые технологические процессы, что обеспечивает изготовление продукции. В автоматизированном производстве технологические процессы осуществляются на автоматическом и автоматизированном технологическом оборудовании: автоматические линии АЛ, гибкие производственные модули ГПМ, гибкие производственные системы ГПС, автоматизированные технологические комплексы АТК и другие средства автоматизации технологических процессов (например, робототехнические комплексы РТК). Выбор средств автоматизации определяется как характером технологических процессов, так и характером производства. При массовом и крупносерийном производстве используются жесткие средства автоматизации с постоянным (жестким) рабочим циклом, при многономенклатурном серийном производстве используются гибкие средства автоматизации с программным управлением. Чтобы осуществить технологический процесс, им необходимо управлять. Управленческие функции человека в этом случае осуществляют автоматизированные системы управления технологическими процессами АСУ ТП. АСУ ТП, в первую очередь, реализуют функции автоматического управления рабочими циклами технологического оборудования, а также функцию диспетчерского управления, обеспечивающую штатное протекание технологического процесса и необходимую последовательность рабочих циклов технологического оборудования. Кроме этого АСУ ТП выполняют и другие функции управления. Производство в целом должно непрерывно управляться. Это необходимое условие реализации требуемых производственных процессов. Автоматизация управления обеспечивается автоматизированной системой управления производством АСУП. АСУП обеспечивает автоматизацию решения управленческих и организационно-экономических задач, возникающих в ходе производственных процессов, а также управление производственными процессами. ИНТЕГРАЦИЯ АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ СИСТЕМ В обычном производстве различные производственные процессы осуществляются людьми в различных производственных подразделениях производства: конструкторские отделы; технологические отделы; планово-производственные отделы; производственные цехи и др. Взаимодействие между этими подразделениями осуществляется путем организации документооборота, обеспечивающего обмен производственной и управленческой информацией между подразделениями в целях осуществления производственных процессов. Так конструкторский отдел разрабатывает конструкторскую документацию на проектируемую продукцию в виде рабочего проекта и передаёт эту документацию после её утверждения технологическому отделу. Технологический отдел на основе конструкторской документации разрабатывает технологию изготовления продукции и оформляет её в виде технологической документации, содержащей полное описание технологии изготовления продукции в условиях конкретного производства. Технологическая документация передаётся производственникам (в производственные цехи), которые реализуют запланированные технологические процессы, обеспечивая выпуск продукции. Существует и обратный поток информации, содержащий справочную информацию, уточняющие запросы и отчетную информацию. Вся эта информация ориентирована, в основном, на использование людьми и содержится в различных бумажных документах. Взаимодействие производственных подразделений в традиционном производстве осуществляется путем информационного обмена между участниками производственного процесса, обеспечиваемого с помощью документооборота и устных сообщений. На начальном этапе автоматизации производства, автоматизированные производственные системы используются локально, помогая человеку осуществлять отдельные производственные процессы. При этом в организации производства основную роль играют люди (оперативный персонал). В связи с этим общий характер информационных потоков на производстве сохраняется, меняется, в первую очередь, способ подготовки и передачи документов. Разработка конструкторских, технологических и управленческих документов в этом случае осуществляется с использованием систем автоматизации инженерной и управленческой деятельности. Для передачи и хранения документов применяются компьютерные средства (например, корпоративные вычислительные сети). Этот случай иллюстрирует рис. 3. Участники производственного процесса в своей производственной деятельности используют автоматизированные производственные системы. Взаимодействие этих систем и совместное использование результатов их деятельности организуется оперативным персоналом на основе бумажных документов, передаваемых между людьми с помощью, например, компьютерных средств. Например, в механообрабатывающем производстве конструктор разрабатывает новую деталь для некоторого изделия при его модернизации. При конструировании детали он использует систему автоматизации проектирования, например ACAD (Автокад). С помощью системы ACAD разрабатывается чертеж детали, который существует в машинном представлении. Для разработки технологии изготовления детали этот чертёж передаётся технологу. Чертёж может быть передан в виде бумажного документа (распечатки) или в машинном виде (файл на локальном носителе информации или отправленный по локальной вычислительной сети). Технолог на основе чертежа разрабатывает технологию изготовления детали и программу для станка с ЧПУ. При решении этих задач он использует свои автоматизированные системы (например, систему автоматизации программирования САП станков с ЧПУ). Конечным результатом работы технолога будет комплекс программ для станков с ЧПУ, обеспечивающих изготовление детали, созданной конструктором. Эти программы записываются на соответствующие программоносители и по мере надобности передаются в производственное подразделение (в цех), осуществляющее изготовление детали на станках с ЧПУ. Описанный способ организации взаимодействия различных производственных процессов позволяет сочетать автоматизированные и неавтоматизированные процессы и обеспечивать их взаимодействие. Этот способ характерен для начального этапа автоматизации производства при недостаточном освоении и использовании автоматизированных производственных систем различного назначения. По мере роста уровня автоматизации производства использование автоматизированных производственных систем расширяется. Такие системы участвуют в осуществлении практически всех основных производственных процессов, заменяя человеческий труд. Производственные функции человека существенно сокращаются. В результате возрастает обмен информацией непосредственно между автоматизированными системами и сокращается обмен информацией между людьми. Люди для обмена информацией между собой используют автоматизированные производственные системы. Схема новой организации информационных связей на автоматизированном производстве показана на рис. 4. Автоматизированные системы функционируют при непосредственном взаимодействии между собой, совместно используя результаты работы каждой системы. Эти системы применяются интегрировано. При интеграции автоматизированных систем информация, используемая этими системами, организуется в виде самостоятельных баз данных (банков данных), к которым имеют доступ все системы, нуждающиеся при своей работе в этой информации. Все изменения, вносимые в базы данных в процессе функционирования систем, немедленно становятся доступными всем системам. Интеграция систем автоматизации инженерного труда и управления приводит к расширению функциональных возможностей таких систем и к появлению систем двойного назначения, которые объединяют функции проектирования продукции и разработки технологии её изготовления. В механообработке результатом функционирования интегрированной системы САПР+САП будет комплекс управляющих программ для станков с ЧПУ, создаваемый в процессе конструирования детали. При этом вся работа выполняется одним специалистом-конструктором. В семидесятых годах прошлого столетия развитие систем автоматизации инженерного труда привело к созданию интегрированных автоматизированных производственных систем CAD/CAM (САПР/АПП). Этой аббревиатурой принято обозначать область деятельности, связанной с созданием и применением систем автоматизированного проектирования и автоматизированного производства. САПР/АПП – система автоматизированного проектирования/автоматизации производственных процессов. Схема использования интегрированной САПР/АПП приведена на рис. 5. Группа высококвалифицированных специалистов, владеющих методами проектирования изделий и технологий, с помощью интегрированной системы разрабатывает как само изделие, так и технологию его изготовления. В автоматизированном производстве результатом проектирования технологии будет пакет управляющих программ для оборудования с ЧПУ и программное обеспечение ПО для АСУ ТП. В соответствие с календарным планом выпуска изделий ПО передаётся в АСУ ТП и обеспечивает автоматизированную настройку производственного подразделения (ГПМ, ГПС) на изготовление требуемой продукции. Функционирование производственного подразделения под управлением АСУ ТП с установленным ПО обеспечивает выпуск нужных изделий в требуемом количестве. При этом обеспечивается интеграция ранее независимых процессов проектирования продукции и её изготовления в автоматизированном производстве. Структура процесса проектирования Проектирование можно рассматривать как итеративную процедуру, включающую определенные этапы. Схема процесса проектирования показана на рис. 6. После выявления потребности общества в новой продукции формулируются требования к этой продукции и основная её концепция. В результате формулируется задача для конструкторов, которая обычно оформляется в виде технического задания (ТЗ). На основе ТЗ конструкторы ищут возможные технические решения. Из возможных решений на основе сравнительного анализа выбирается оптимальное решение с использованием некоторых критериев оптимальности. При этом могут потребоваться исследования, выполняемые на моделях или экспериментальных образцах. Этот процесс повторяется многократно до получения приемлемого результата. В результате создается проект продукции, который подвергается оценке. При оценке может потребоваться изготовление опытного образца и его испытания. При выявлении недостатков или несоответствия требованиям ТЗ проект дорабатывается. Результаты проектирования представляются в виде конструкторской документации, содержащей чертежи, спецификации, описания и другие документы, необходимые при реализации проекта. Принято в процессе проектирования выделять характерные стадии проектирования: • Разработка технического задания и его согласование. Формулируются общие требования к проекту и определяются характеристики, которые необходимо обеспечить для объекта проектирования. • Разработка технического предложения. Укрупненное определение общей концепции объекта проектирования и предварительное расчетное обоснование возможности его реализации в соответствии с требованиями технического задания. • Разработка эскизного проекта. Разработка основных сборочных чертежей, общих видов, принципиальных схем. Эскизный проект даёт общее представление о проектируемом объекте и основных его технических решениях. Используется для предварительной оценки будущего объекта или для сравнения нескольких вариантов технического решения объекта проектирования. • Разработка технического проекта. Разработка конструкторской документации, дающей полное представление об устройстве объекта проектирования. В состав проекта входят сборочные чертежи, общие виды, принципиальные, структурные и функциональные схемы, схемы алгоритмов функционирования, расчётно-пояснительная записка. • Разработка рабочего проекта (рабочей документации). Разработка полного комплекта конструкторской документации, необходимой для изготовления объекта проектирования. При этом к составу технического проекта добавляются деталировочные чертежи, схемы расположения, монтажные схемы и другая конструкторская документации, необходимая производственникам при изготовлении объекта проектирования. • Конструкторское сопровождение реализации проекта. Устранение ошибок, недоработок и замечаний, проявляющихся на стадии реализации проекта. Внесение изменений в проект, вызванных особенностями технологии изготовления объекта. Доработка проекта для устранения замечаний, возникающих при его эксплуатации. • Развитие проекта. Доработка и переработка технических решений проекта для улучшения технических и эксплуатационных характеристик объекта проектирования и поддержания его потребительских качеств на уровне растущих требований рынка сбыта. Применение ЭВМ при проектировании В процессе проектирования ЭВМ может использоваться для решения различных задач. Это могут быть задачи расчёта элементов конструкций и схем, задачи численного и имитационного моделирования поведения объекта проектирования и его компонентов, задачи визуализации рассматриваемых технических решений, задачи оформления и размножения конструкторской документации и другие. При этом сокращается трудоёмкость решения соответствующих задач, повышается качество получаемого результата, уменьшается влияние субъективных ошибок человека на получаемый результат. В результате сокращается трудоёмкость проектирования и повышается его качество. Схема автоматизированного процесса проектирования при использовании ЭВМ приведена на рис. 7. Геометрическое моделирование. На стадии синтеза проектных решений с помощью ЭВМ и соответствующего программного обеспечения выполняется геометрическое моделирование объекта проектирования и его компонентов. При моделировании производится описание геометрических свойств объекта и визуализация объекта на графическом дисплее. В интерактивном режиме конструктор может манипулировать объектом проектирования и изменять его характеристики. Можно компоновать сложный объект из множества составляющих объектов, например, собирать механизм из отдельных деталей и т.д. Система геометрического моделирования получает от конструктора команды трех типов: • команды формирования базовых геометрических элементов (точки, линии, окружности и др.); • команды преобразования изображения (масштабирование, повороты и др.); • команды компоновки из отдельных элементов проектируемого объекта. Геометрическое моделирование, в зависимости от его возможностей, принято делить на следующие группы: • двумерное (2D) – для плоских объектов; • двух-с-половиной-мерное (2 1/2D) – для трёхмерных объектов, не имеющих деталей с боковыми стенками; • трёхмерное (3D) – для полноценного представления трёхмерных пространственных объектов. Двухмерное представление нашло широкое распространение при автоматизации чертёжных работ. Представление об объекте в этом случае даётся с помощью его проекций на координатные плоскости декартовой системы координат. Наибольшие возможности имеет трёхмерное моделирование, дающее возможность построения объемных геометрических объектов. При объёмном моделировании используются различные модели (рис. 8). Наиболее распространенным является способ каркасного представления пространственной модели совокупностью точек и соединительных линий (рис. 8а). Модель хранится в памяти ЭВМ в этом случае в виде массива координат характерных точек. Метод каркасных моделей имеет различные усовершенствования, позволяющие повысить наглядность объемных моделей. Например, на изображении могут удаляться невидимые каркасные линии (рис. 8б) и др. Полигональная поверхностная модель (рис. 8в) состоит из описания поверхностей, образующих тело. В этом случае проще оперировать с отдельными участками поверхности (например, для штриховки или раскраски). В том случае, когда поверхность не описывается аналитически, её заменяют приближённо многогранником, каждая грань которого является плоским многоугольником. Наиболее совершенным является метод объемных моделей для представления монолитных тел (рис. 8г). Сложный геометрический объект в этом случае формируется из графических примитивов – элементарных монолитных геометрических объёмов (базисных тел) с использованием логических операций объединения, вычитания и пересечения (рис. 9). В объёмном представлении могут изображаться не только отдельные детали, но и сборочные узлы. В этом случае можно визуально оценить не только форму деталей, но и выявить ошибки проектирования, препятствующие осуществлению сборки и нормальной работе спроектированного узла. Инженерный анализ. При выполнении инженерного анализа с помощью ЭВМ осуществляется выбор оптимальных технических решений. Для этого выполняются прочностные, тепловые, динамические и другие расчёты, позволяющие определять и сравнивать ожидаемые технические характеристики различных вариантов технических решений. При проектировании механических устройств наибольшее распространение получили • метод оценки свойств монолитных пространственных объектов на основе вычисления площадей поверхностей, объема, массы, положения центра тяжести, момента инерции и других механических характеристик; • метод конечных элементов, заключающийся в разделении сложного пространственного объекта на простые взаимосвязанные узлы и оценка поведения объекта на основе расчёта взаимосвязанного поведения всех его узлов. Метод конечных элементов позволяет рассчитывать объекты, характеристики которых описываются дифференциальными уравнениями в частных производных. Для элементарного конечного элемента составляется и решается система дифференциально-разностных уравнений вида , , где f(x,y) – функция расчетного параметра от координат x и y, h – шаг сетки конечных элементов. При расчете нагруженного твердого тела методом конечных элементов можно, например, получить картину его деформации под нагрузкой. При расчёте сердечника электромагнита методом конечных элементов можно получить картину распределения магнитного поля в сердечнике электромагнита и вне него. На рис. 10 показан случай нагружения кронштейна сложной формы, который для расчёта деформации разбит на простые конечные элементы. Последовательно рассчитывая деформации каждого такого элемента, можно получить картину деформации кронштейна. ЭВМ выполняет расчет и представляет результаты расчета в виде картины деформации кронштейна. Обзор и оценка проектных решений. На стадии оценки проекта программные средства ЭВМ позволяют конструктору выполнять моделирование поведения спроектированного объекта и проверять его соответствие различным требованиям. Например, путем наложения изображения детали на изображение выбранной для неё заготовки, можно оценить правильность выбора заготовки. С помощью соответствующих программ можно проверить правильность простановки размеров на чертеже детали, соответствие чертежа требованиям ЕСКД и многое другое. Большое распространение при оценке конструктивных решений получил кинематический анализ. В этом случае по данным геометрической модели спроектированного механизма программа осуществляет визуализацию его движений, что является мощным средством выявления ошибок и неточностей проектирования механизма. В качестве примера коммерческой программы динамического анализа механических систем можно назвать программу ADAMS (Automatic Dynamic Analysis of Mechanical Systems), разработанную в Мичиганском университете. Автоматизации изготовления чертежей. В этом случае обеспечивается автоматизация трудоёмкого процесса получения на бумаге конструкторских чертежей. Такие чертежи выполняются непосредственно на основе машинной информации, созданной в процессе проектирования и хранящейся в базе данных САПР. При этом многие функции чертёжника выполняются автоматически: определение размеров, штриховка нужных областей, масштабирование, построение разрезов и сечений, выполнение требований ЕСКД и т.д. АСУ ТП Автоматизированная система управления технологическим процессом (АСУТП) предназначена для выработки и реализации управляющих воздействий на технологический объект управления. Технологический объект управления (ТОУ) — это совокупность технологического оборудования и реализованного на нем по соответствующим инструкциям или регламентам технологического процесса производства. К технологическим объектам управления относятся: • технологические агрегаты и установки (группы станков), реализующие самостоятельный технологический процесс; • отдельные производства (цехи, участки) или производственный процесс всего промышленного предприятия, если управление этим производством носит в основном технологический характер, т.е. заключается в реализации рациональных режимов работы взаимосвязанных агрегатов (участков, производств). Совместно функционирующие ТОУ и управляющая им АСУТП образуют автоматизированный технологический комплекс (ATK). Автоматизированная система управления технологическим процессом - человеко-машинная система управления, обеспечивающая автоматизированный сбор и обработку информации, необходимой для оптимизации управления технологическим объектом в соответствии с принятым критерием. Критерий управления АСУТП — это соотношение, характеризующее качество функционирования технологического объекта управления в целом и принимающее конкретные числовые значения в зависимости от используемых управляющих воздействий. Таким образом, критерием управления обычно является технико-экономический показатель (например, себестоимость выходного продукта при заданном его качестве, производительность ТОУ при заданном качестве выходного продукта и т. п.) или технический показатель (например, параметры процесса, характеристики выходного продукта). Система управления ТОУ является АСУТП в том случае, если она осуществляет управление ТОУ в целом в темпе протекания технологического процесса и если в выработке и реализации решений по управлению, участвуют средства вычислительной техники и другие технические средства и человек-оператор. АСУТП в системе управления промышленным предприятием. АСУТП как компоненты общей системы управления промышленным предприятием предназначены для целенаправленного ведения технологических процессов и обеспечения смежных и вышестоящих систем управления оперативной и достоверной технико-экономической информацией. АСУТП, созданные для объектов основного и вспомогательного производства, представляют собой низовой уровень автоматизированных систем управления на предприятии. АСУТП могут использоваться для управления отдельными производствами, включающими в свой состав взаимосвязанные ТОУ. АСУТП производства обеспечивает оптимальное (рациональное) управление как всеми АТК и ТОУ, так и вспомогательными процессами (приемкой, транспортировкой, складированием входных материалов, заготовок и готовой продукции и т. д.), входящими в состав данного производства. Организация взаимодействия АСУТП с системами управления высших уровней определяется наличием на промышленном предприятии автоматизированной системы управления предприятием (АСУП) и автоматизированных систем организационно-технологического управления (АСОУТ). АСУТП получает от соответствующих подсистем АСУП или служб управления предприятием непосредственно или через АСУОТ задания и ограничения (номенклатуру подлежащих выпуску продуктов или изделий, объемы производства, технико-экономические показатели, характеризующие качество функционирования АТК, сведения о наличии ресурсов) и обеспечивает подготовку и передачу этим системам необходимой для их работы технико-экономической информации, в частности о выполнении заданий, продукции, оперативной потребности в ресурсах, состоянии АТК (состоянии оборудования, ходе технологического процесса, его технико-экономических показателях и т. п.). При наличии на предприятии систем технической и (или) технологической подготовки производства обеспечивается взаимодействие АСУТП с этими системами. АСУТП получают от них техническую, технологическую и другую информацию, необходимую для проведения заданных технологических процессов, и направляют в эти системы фактическую оперативную информацию, необходимую для их функционирования, в том числе для корректировок регламентов проведения технологических процессов. При создании на предприятии комплексной системы управления качеством продукции АСУТП являются ее исполнительными подсистемами, обеспечивающими заданное качество продукции ТОУ и подготовку фактической оперативной информации о ходе технологических процессов (статистический контроль и т.д.). Функции АСУТП При создании АСУТП должны быть определены конкретные цели функционирования системы и ее назначение в общей структуре управления предприятием. Такими целями, например, могут быть: • экономия топлива, сырья, материалов и других производственных ресурсов; • обеспечение безопасности функционирования объекта; • повышение качества выходного продукта (изделия) или обеспечение заданных значений параметров выходных продуктов (изделий); • снижение затрат живого труда; достижение оптимальной загрузки (использования) оборудования; • оптимизация режимов работы технологического оборудования (в том числе, маршрутов обработки в дискретных производствах) и т. д. Функция АСУТП — это совокупность действий системы, направленных на достижение частной цели управления. Совокупность действий системы представляет собой определенную и описанную в эксплуатационной документации последовательность операций и процедур, выполняемых частями системы. Следует отличать функции АСУТП в целом от функций, выполняемых всем комплексом технических средств системы или его отдельными устройствами. Функции АСУТП подразделяются на управляющие, информационные и вспомогательные. Управляющая функция АСУТП — это функция, результатом которой являются выработка и реализация управляющих воздействий на технологический объект управления. К управляющим функциям АСУТП относятся: • регулирование (стабилизация) отдельных технологических переменных; • однотактное логическое управление операциями или аппаратами; • программное логическое управление группой оборудования; • оптимальное управление установившимися или переходными технологическими режимами или отдельными участками процесса; • адаптивное управление объектом в целом (например, самонастраивающимся комплексно-автоматизированным участком станков с числовым программным управлением). Информационная функция АСУТП — это функция системы, содержанием которой являются сбор, обработка и представление информация о состоянии АТК оперативному персоналу или передача этой информации для последующей обработки. К информационным функциям АСУТП относятся: • централизованный контроль и измерение технологических параметров; • косвенное измерение (вычисление) параметров процесса (технико-экономических показателей, внутренних переменных); • формирование и выдача данных оперативному персоналу АСУТП или (АТК); • подготовка и передача информации в смежные системы управления; • обобщенная оценка и прогноз состояния АТК и его оборудования. Отличительная особенность управляющих и информационных функций АСУТП их направленность на конкретного потребителя (объект управления, оперативный персонал, смежные системы управления). Вспомогательные функции АСУТП - это функции, обеспечивающие решение внутрисистемных задач. Вспомогательные функции не имеют потребителя вне системы и обеспечивают функционирование АСУТП (функционирование технических средств системы, контроль за их состоянием, хранением информации и т. п.). В зависимости от степени участия людей в выполнении функций системы различаются два режима реализации функций: автоматизированный и автоматический. Автоматизированный режим реализации управляющих функций характеризуется участием человека в выработке (принятии) решений и (или) их реализации. При этом возможны следующие варианты: • ручной режим, при котором комплекс технических средств представляет оперативному персоналу контрольно-измерительную информацию о состоянии ТОУ, а выбор и осуществление управляющих воздействий производит человек-оператор; • режим «советчика», при котором комплекс технических средств вырабатывает рекомендации по управлению, а решение об их использовании принимается и реализуется оперативным персоналом; • диалоговый режим, при котором оперативный персонал имеет возможность корректировать постановку и условия задачи, решаемой комплексом технических средств системы при выработке рекомендаций по управлению объектом. Автоматический режим реализации управляющих функций предусматривает автоматическую выработку и реализацию управляющих воздействий. При этом различаются: • режим косвенного управления, когда средства вычислительной техники автоматически изменяют уставки и (или) параметры настройки локальных систем автоматического управления (регулирования); • режим прямого (непосредственного) цифрового (или аналого-цифрового) управления, когда управляющее вычислительное устройство формирует воздействие на исполнительные механизмы. Автоматизированный режим реализации АСУТП информационных функций АСУТП предусматривает участие людей в операциях по получению и обработке информации. В автоматическом режиме все необходимые процедуры обработки информации реализуются без участия человека. АСУТП представляют собой системы управления, качественно отличные от систем автоматического регулирования (САР), предназначенных для стабилизации режимов процессов и агрегатов. На рис. 1 приведены структуры САР и АСУТП. Системы автоматического регулирования, как правило, представляют собой замкнутые системы управления, функционирующие без участия человека. Рис. 1. Сравнение промышленных систем автоматизации Основная цель САР - оптимальная отработка задания, обеспечивающего стабилизацию требуемой физической величины или технологического параметра. При этом значение задания считается известным и может быть как постоянным, так и изменяющимся по заранее известному закону. Структура АСУТП, в отличие от САР, предполагает непременное участие человека – оператора в принятии решений по управлению объектом. Структура АСУТП обязательно включает контур формирования оператором управляющих воздействий, поскольку цель АСУТП – реализация оптимального режима работы объекта. Критериями оптимальности технологических режимов, как правило, являются технико-экономические показатели (к.п.д., удельные расходы сырья, энергии, топлива, себестоимость продукции), которые обычно не могут быть непосредственно измерены, а получаются в результате соответствующих вычислительных процедур. Состав АСУТП Для выполнения функций АСУТП необходимо взаимодействие следующих ее составных частей: • технического обеспечения (ТО); • программного обеспечения (ПО); • информационного обеспечения (ИО); • организационного обеспечения (ОО); • оперативного персонала (ОП). Техническое обеспечение АСУТП представляет собой полную совокупность технических средств, достаточную для функционирования АСУТП и реализации системой всех ее функций. В состав комплекса технических средств (КТС АСУТП) входят вычислительные и управляющие устройства; средства получения (датчики), преобразования, хранения, отображения и регистрации информации (сигналов); устройства передачи сигналов и исполнительные устройства. Программное обеспечение АСУТП — совокупность программ, необходимая для реализации функций АСУТП, заданного функционирования комплекса технических средств АСУТП и предполагаемого развития системы. Программное обеспечение АСУТП подразделяется на общее ПО и специальное программное обеспечение. Общее программное обеспечение АСУТП поставляется в комплекте со средствами вычислительной техники. К общему программному обеспечению АСУТП относятся необходимые в процессе функционирования и развития системы программы, программы для автоматизации разработки программ, компоновки программного обеспечения, организации функционирования вычислительного комплекса и другие служебные и стандартные программы (организующие программы, транслирующие программы, библиотеки стандартных программ и др.). Специальное программное обеспечение АСУТП разрабатывается или заимствуется из соответствующих фондов при создании конкретной системы и включает программы реализации основных (управляющих и информационных) и вспомогательных (обеспечение заданного функционирования КТС системы, проверка правильности ввода информации, контроль за работой КТС системы и т. п.) функций АСУТП. Специальное программное обеспечение АСУТП разрабатывается на базе и с использованием программ общего программного обеспечения. Программы специального программного обеспечения, имеющие перспективу многократного использования, после промышленной проверки могут передаваться в соответствующие фонды или заводам-изготовителям вычислительной техники для включения их в состав общего программного обеспечения. Информационное обеспечение АСУТП включает: • информацию, характеризующую состояние автоматизированного технологического комплекса; • системы классификации и кодирования технологической и технико-экономической информации; • массивы данных и документов, необходимых для выполнения всех функций АСУТП, в том числе нормативно-справочную информацию. Организационное обеспечение АСУТП представляет собой совокупность описаний функциональной, технической и организационной структур, инструкций и регламентов для оперативного персонала АСУТП, обеспечивающее заданное функционирование оперативного персонала в составе АТК. В состав оперативного персонала АСУТП входят: • технологи - операторы, осуществляющие контроль за работой и управление ТОУ с использованием информации и рекомендаций по рациональному управлению, выработанных комплексом технических средств АСУТП; • эксплуатационный персонал АСУТП, обеспечивающий правильность функционирования комплекса технических средств АСУТП. Ремонтный персонал в состав оперативного персонала АСУТП не входит. Создание АСУТП допускается осуществлять по подсистемам. Подсистема АСУТП — это часть системы, выделенная по функциональному или структурному признаку. Функциональный признак позволяет делить систему, например, на управляющую и информационную подсистемы или ряд подсистем в соответствии с целями. Структурный признак позволяет делить АСУТП на подсистемы, обеспечивающие управление частью объекта или соответствующие самостоятельным частям комплекса технических средств и т. д. Общие технические требования К АСУТП в целом предъявляются следующие основные требования. Она должна: • осуществлять управление ТОУ в целом в темпе протекания технологического процесса и в выработке и реализации решений по управлению должны участвовать средства вычислительной техники и человек-оператор; • обеспечивать управление ТОУ в соответствии с принятыми критериями эффективности функционирования АТК (критериями управления АСУТП); • выполнять все возложенные на нее функции с заданными характеристиками и показателями качества управления; • обладать требуемым уровнем надежности; • обеспечивать возможность взаимосвязанного функционирования с системами управления смежных уровней иерархии и другими АСУТП; • отвечать эргономическим требованиям, предъявляемым к системам, в частности к способам и форме, представления информации оператору, к размещению технических средств и т. д.; • обладать требуемыми метрологическими характеристиками измерительных каналов; • допускать возможность модернизации и развития в пределах, предусмотренных техническим заданием (ТЗ) на создание АСУТП; • нормально функционировать в условиях, указанных в ТЗ на систему; • обеспечивать заданный средний срок службы с учетом проведения восстановительных работ, указанных в технической документации на основные составные части АСУТП. Классификация АСУТП При планировании, проведении и обобщении разработок АСУТП следует иметь в виду, что эти системы весьма разнообразны. Для решения ряда научных, технических и организационных вопросов необходимо пользоваться общей классификацией АСУТП, т. е. правилами разбиения всего множества этих систем на такие подмножества (классификационные группы), в пределах которых все входящие в них АСУТП одинаковы, близки или похожи в том или ином отношении. АСУТП как объекты классификации характеризуются многими существенными факторами и показателями, каждый из которых может выступать в роли классификационного признака. Поэтому общая классификация АСУТП состоит из ряда частных классификаций, проводимых по одному из таких признаков. В зависимости от поставленных целей необходимо пользоваться различными классификационными признаками или их разными сочетаниями. Приводимая ниже классификация АСУТП может использоваться в основном с целями: • выбора систем-аналогов на ранних этапах разработки АСУТП; • оценки необходимых ресурсов при укрупненном планировании работ по созданию АСУТП; • определения качества (научно-технического уровня) АСУТП; • определения капиталоемкости АСУТП в условных единицах. К основным классификационным признакам АСУТП относятся: • уровень, занимаемый ТОУ и АСУТП в структуре предприятия; • характер протекания технологического процесса во времени; • показатель условной информационной мощности; • уровень функциональной надежности АСУТП; • тип функционирования АСУТП. Классификации по каждому из указанных признаков (а также по любым их сочетаниям) могут рассматриваться и использоваться как независимые: конкретному индексу одного (или нескольких) признака могут соответствовать любые индексы других признаков. По уровню, занимаемому в структуре предприятия, АСУТП классифицируется в соответствии с табл.1. Таблица 1. Классификация АСУТП по уровню, занимаемому в организационно-производственной иерархии Класс АСУТП Kодовый индекс ТОУ АСУТП нижнего уровня 1 Технологические агрегаты, установки, участки АСУТП верхнего уровня 2 Группы установок, цехи, производства; не включают АСУТП нижнего уровня АСУТП многоуровневые 3 То же, что в классе 2, но включая АСУТП нижнего уровня Характер протекания управляемого технологического процесса во времени определяется непрерывностью (или дискретностью) поступления сырья и реагентов, наличием (или отсутствием) длительных установившихся и переходных режимов функционирования ТОУ, наличием и длительностью дискретных операций по переработке входных потоков материалов. По этому признаку АСУТП классифицируются в соответствии с табл. 2. Таблица 2. Классификация АСУТП по характеру протекания управляемого технологического процесса во времени Класс АСУТП Кодовый индекс Характер технологического процесса АСУ непрерывным технологическим процессом н Непрерывный с длительным поддержанием режимов, близких к установившимся, и практически безостановочной подачей сырья и реагентов АСУ непрерывно-дискретным технологическим процессом п Сочетание непрерывных и прерывистых режимов функционирования различных технологических агрегатов или на различных стадиях процесса (в том числе периодические процессы) АСУ дискретным технологическим процессом д Прерывистый, с несущественной для управления длительностью технологических операций Условная информационная мощность ТОУ характеризуется числом технологических переменных, измеряемых или контролируемых в данной АСУТП. В зависимости от значения этого показателя АСУТП подразделяются на классы (табл. 3). Таблица 3. Классификация АСУТП по условной информационной мощности Условная информационная мощность Кодовый индекс Число измеряемых или контролируемых технологических переменных минимальное максимальное Наименьшая 1 10 40 Малая 2 41 160 Средняя 3 161 650 Повышенная 4 651 2500 Большая 5 2501 Не ограничено Требуемый (или достигнутый) уровень функциональной надежности АСУТП решающим образом влияет на структуру и многие технические характеристики системы, а также на реальные значения показателей ее эффективности Тип функционирования АСУТП приближенно характеризуется совокупностью автоматически выполняемых информационных и управляющих функций системы. Классификация АСУТП по этому признаку дана в табл. 5. Таблица 5. Классификация АСУТП по типу функционирования Условное наименование типа функционирования АСУТП Кодовый индекс Краткая характеристика особенностей функционирования системы Информационный и Автоматически выполняются только информационные функции, решения по управлению принимает и реализует оператор Локальноавтоматический л Автоматически выполняются информационные функции и функции локального управления (регулирования). 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 АСУТП, включая управление процессом по критерию, выполняются автоматически Определенный в соответствии с табл. 1-5 класс АСУТП обозначается в кодовой или словесной форме. Кодовое обозначение класса АСУТП состоит из основного и дополнительного кодов. Основной код строится из цифровых и буквенных индексов классификации, приведенных в табл. 1-5. Например, словесному обозначению АСУ непрерывным технологическим процессом в агрегате «советующего» типа, с 360 технологическими переменными и высшим уровнем функциональной надежности соответствует код 1нЗЗ с, легко определяемый по табл. 1—5. Выбор систем-аналогов разрабатываемой АСУТП с использованием приведенной классификации осуществляется следующим образом: • в соответствии с табл. 1-5 определяют класс, к которому принадлежит разрабатываемая АСУТП, и ее составной классификационный индекс; • в ведомственных, отраслевых и межотраслевых классификационных фондах находят несколько разработок АСУТП, имеющих составной классификационный индекс, совпадающий с индексом данной системы; • среди найденных таким образом разработок АСУТП выбирают ту, которая в большей степени может считаться наиболее близким аналогом создаваемой, а принятые в ней решения подлежат анализу с целью определения возможности и целесообразности их повторного применения в создаваемой АСУТП. Основу АСУТП составляют локальные сети. Процесс разработки АСУ ТП Процесс создания АСУТП - Совокупность работ от формирования исходных требований к системе до ее ввода в действие. Подразделяется на Стадии и Этапы. Стадия создания АСУТП - Одна из частей создания АСУТП, установленная нормативными документами и заканчивающаяся выпуском документации на систему, содержащей описание полной, в рамках заданных требований, модели системы на заданном для данной стадии уровне. Этап создания АСУТП - Часть стадии создания АСУТП, выделенная по соображениям единства характера работ и завершающего результата, или специализации исполнителей. Техническое задание на создание АСУТП - Документ, оформленный в установленном порядке, и определяющий цели создания системы, требования к системе и основные исходные данные, необходимые для ее разработки, а также План-график создания АСУТП. Технический проект АСУТП - Комплект проектных документов на АСУТП, разрабатываемый на стадии "Технический проект”, утверждённый в установленном порядке, содержащий основные проектные решения по системе в целом, ее функциям и всем видам обеспечения АСУТП, достаточный для разработки Рабочей документации на АСУТП. Рабочая документация на АСУТП - Комплект проектных документов на АСУТП, разрабатываемый на стадии Рабочий проект (Рабочая документация), содержащий взаимоувязанные решения по системе в целом, ее функциям, всем видам обеспечения АСУТП, достаточный для комплектации, монтажа, пусконаладки и функционирования АСУТП, ее проверки и обеспечения работоспособности. Проектно-сметная документация на АСУТП - Часть рабочей документации, разрабатываемая для выполнения строительных, монтажных, электротехнических, санитарно-технических и других работ, связанных с созданием АСУТП. Эксплуатационная документация - Часть рабочей документации на АСУТП, предназначенная для использования при эксплуатации АСУТП, определяющая правила действия персонала и пользователей АСУТП при ее функционировании, проверке и обеспечении ее работоспособности. Технорабочий проект Автоматизированной Системы - Комплект проектных документов на АСУТП, утвержденный в установленном порядке и содержащий решения по системе в полном объеме технического проекта и рабочей документации на АСУТП. Организации, участвующие в процессе создания АСУТП Организация – Заказчик - Организация, для которой создается (модернизируется) АСУТП, и которая обеспечивает финансирование, приемку работ и эксплуатацию АСУТП, а также выполнение отдельных работ по созданию АСУТП. Организация - Генеральный подрядчик - Головная организация, являющаяся главным подрядчиком и координатором всех работ по созданию (модернизации) АСУТП для заданного технологического объекта. Для выполнения проекта может на договорной основе привлекать различных субподрядчиков: разработчиков, поставщиков, проектировщиков и т. д. Организация – Разработчик - Организация, которая осуществляет работы по созданию (модернизации) АСУТП, предоставляя Заказчику совокупность научно-технических услуг на разных стадиях и этапах создания (модернизации) АСУТП, а также разрабатывая и поставляя программные и технические средства АСУТП. Организация – Поставщик - Организация, которая изготавливает и/или поставляет программные и технические средства по заказу Генподрядчика или Заказчика. Организация – Проектировщик - Организация, которая обеспечивает проектирование различных частей проекта для проведения строительных, электротехнических, санитарно-технических и других работ, связанных с созданием (модернизацией) АСУТП. Организации Строительные, Монтажные, Наладочные и другие - Организации, которые выполняют работы в смежных частях проекта, и обеспечивают проведение строительных, электротехнических, санитарно-технических и других работ, связанных с созданием и внедрением АСУТП для новых и реконструируемых производств. В зависимости от конкретных условий создания (модернизации) АСУТП возможны различные варианты взаимодействия Заказчика, Разработчика, Проектировщика, Поставщика и других организаций, участвующих в работах по созданию (модернизации) АСУТП. Рис. 1 - Наилучшая с точки зрения заказчика схема СОСТАВ И СОДЕРЖАНИЕ РАБОТ ПО СОЗДАНИЮ (МОДЕРНИЗАЦИИ) АСУТП Процесс создания АСУТП представляет собой совокупность упорядоченных во времени, взаимосвязанных, объединенных в стадии и этапы работ, выполнение которых необходимо и достаточно для создания Системы, соответствующей заданным требованиям. Стадии и этапы создания АСУТП выделяются как части процесса создания по соображениям рационального планирования и организации работ, заканчивающихся заданным результатом. 1. Стадия "Формирование требований к АСУТП” Этапы: 1) Обследование объекта и обоснование необходимости создания (модернизации) АСУТП. 2) Формирование технических требований Заказчика к АСУТП, включая требования на программные и технические средства АСУТП, работы и услуги по разработке и внедрению АСУТП. 3) Оформление отчета по результатам обследования проектируемого (модернизируемого) объекта автоматизации. 4) Подготовка исходных данных для проведения конкурса (тендера) по выбору Генерального подрядчика на создание (модернизацию) АСУТП. 2. Содержание этапов стадии "Формирование требований к АСУТП" На этапе 1 "Обследование объекта и обоснование необходимости создания (модернизации) АСУТП" в общем случае производится: • Сбор исходных данных о существующем или проектируемом объекте автоматизации; • Оценка эффективности функционирования существующего (модернизируемого) объекта; • Оценка уровня проектных решений в части автоматизации для планируемого (проектирующегося) технологического объекта; • Выявление проблем, решение которых возможно средствами автоматизации; • Оценка (технико-экономической, социальной и т.п.) целесообразности создания (модернизации) АСУТП. На этапе 2 "Формирование технических требований Заказчика к АСУТП" производится: • Подготовка исходных данных для формирования требований к АСУТП (характеристика объекта автоматизации, описание требований к системе, ограничения допустимых затрат на разработку, ввод в действие и эксплуатацию, эффект, ожидаемый от системы, условия создания и функционирования системы); • Формулирование и оформление требований Заказчика к АСУТП. На этапе 3 "Оформление отчета по результатам обследования проектируемого (модернизируемого) объекта автоматизации " производится: • Оформление отчета о выполненных работах на данной стадии. На этапе 4 "Подготовка исходных данных для проведения конкурса (тендера) по выбору Генерального подрядчика на создание (модернизацию) АСУТП" производится: • Создание конкурсной комиссии; • Подготовка исходных данных и конкурсной документации для проведения конкурса (тендера). 3. Стадия "Разработка концепции АСУТП" Этапы: 1) Проведение конкурса (тендера) по выбору Генерального подрядчика. 2) Изучение вариантов концепции АСУТП и выбор наиболее предпочтительного варианта концепции АСУТП, удовлетворяющего требованиям Заказчика. 3) Утверждение Генерального подрядчика. 4) 4. Содержание этапов стадии "Разработка концепции АСУТП" На этапе 1 "Проведение конкурса (тендера) по выбору Генерального подрядчика" проводится: • Формирование группы экспертов; • Рассылка исходных конкурсных материалов; • Получение предложений от потенциальных подрядчиков; • Работа экспертов с предложениями кандидатов. На этапе 2 "Изучение вариантов концепции АСУТП и выбор концепции АСУТП" в общем случае производится: • Изучение альтернативных вариантов концепции создаваемой АСУТП и планов их реализации; • Оценка необходимых ресурсов на их реализацию и обеспечение функционирования; • Оценка преимуществ и недостатков каждого варианта; • Сопоставление требований Заказчика и характеристик предлагаемых систем; • Выбор наиболее предпочтительного варианта; • Ожидаемые результаты реализации выбранного варианта концепции АСУТП. На этапе 3 " Утверждение Генерального подрядчика" проводится: • Оформление Заключения экспертной группы, описание и обоснование предпочтительного варианта концепции системы; • Согласование и утверждение Генерального подрядчика. 5. Стадия "Техническое задание" Этапы: 1) Разработка и утверждение Технического задания на создание АСУТП. 6. Содержание этапов стадии "Техническое задание" На этапе 1 "Разработка и утверждение Технического задания на создание АСУТП" производится: • Разработка, оформление, согласование и утверждение Технического задания на создание (модернизацию) АСУТП и, при необходимости, технических заданий на смежные части АСУТП. 7. Стадия "Эскизный проект" (факультативная) Этапы: 1) Разработка предварительных проектных решений по функциям и составу АСУТП и её частям. 2) Разработка макета документации на АСУТП и её части. 8. Содержание этапов стадии "Эскизный проект" На этапе 1 "Разработка предварительных проектных решений по функциям и составу АСУТП и её частям" определяются: • Функции АСУТП; • Функции и назначение подсистем; • Состав комплексов задач и отдельных задач; • Концепция информационной базы, ее укрупнённая структура; • Функции системы управления базой данных; • Предварительный состав вычислительного комплекса системы; • Функции и параметры основных программных средств. На этапе 2 "Разработка макета документации на АСУТП и её части" производится: • Разработка, оформление, согласование и утверждение документации в объеме, необходимом для описания полной совокупности принятых проектных решений, и достаточном для дальнейшего выполнения работ по созданию (модернизации) АСУТП. 9. Стадия "Технический проект" Этапы: 1) Разработка проектных решений по АСУТП и её частям. 2) Разработка технической документации на АСУТП и её части. 3) Разработка и оформление документации на поставку изделий для комплектования АСУТП и / или технических требований (технических заданий) на их разработку. 4) Разработка Заданий на проектирование в смежных частях проекта объекта автоматизации. 10. Содержание этапов стадии "Технический проект" На этапе 1 "Разработка проектных решений по АСУТП и её частям" проводится разработка проектных решений: • По Системе и её частям; • По функционально-алгоритмической структуре системы; • По функциям персонала и организационной структуре; • По структуре комплекса технических средств; • По алгоритмам решения задач; • По организации и ведению информационной базы; • По системе классификации и кодирования информации; • По прикладному программному обеспечению. На этапе 2 "Разработка технической документации на АСУТП и её части” производится: • Разработка, оформление, согласование и утверждение документации в объеме, необходимом для описания полной совокупности принятых проектных решений, и достаточном для дальнейшего выполнения работ по созданию (модернизации) АСУТП. На этапе 3 "Разработка и оформление документации на поставку изделий для комплектования АСУТП и / или технических требований (технических заданий) на их разработку" производится: • Подготовка и оформление документации на поставку изделий для комплектования АСУТП; • Определение технических требований и составление ТЗ на разработку изделий, не изготавливаемых серийно. На этапе 4 "Разработка Заданий на проектирование в смежных частях проекта объекта автоматизации" осуществляется: • Разработка, оформление, согласование и утверждение заданий на проектирование в смежных частях проекта объекта автоматизации для проведения строительных, электротехнических, санитарно-технических и других подготовительных работ, связанных с созданием АСУТП. 11. Стадия "Рабочий проект (Рабочая документация)" Этапы: 1) Разработка рабочей документации на АСУТП и её части. 2) Разработка и / или конфигурирование программного обеспечения. 12. Содержание этапов стадии "Рабочий проект (Рабочая документация)" На этапе 1 "Разработка рабочей документации на АСУТП и её части” осуществляется: • Разработка рабочей документации, содержащей все необходимые и достаточные сведения для выполнения работ по вводу АСУТП в действие и её эксплуатации, а также для обеспечения уровня эксплуатационных характеристик (качества) системы в соответствии с принятыми проектными решениями; • Оформление, согласование и утверждение комплекта Рабочей документации. На этапе 2 "Разработка и / или конфигурирование программного обеспечения" производится: • Разработка программ и программных средств Системы; • Конфигурирование прикладного программного обеспечения; • Выбор, адаптация и / или привязка приобретаемых программных средств; • Разработка программной документации. 13. Стадия "Ввод в действие" Этапы: 1) Подготовка объекта автоматизации к вводу АСУТП в действие. 2) Подготовка и обучение персонала. 3) Комплектация АСУТП программными и техническими средствами, программно-техническими комплексами, информационными средствами. 4) Строительно-монтажные работы. 5) Пусконаладочные работы. 6) Проведение Предварительных испытаний. 7) Проведение Опытной эксплуатации. 8) Проведение Приемочных испытаний. 14. Содержание этапов стадии "Ввод в действие" На этапе 1 "Подготовка объекта автоматизации к вводу АСУТП в действие" проводятся работы по организационной подготовке объекта автоматизации к вводу АСУТП в действие, в том числе: • Реализация проектных решений по организационной структуре АСУТП; • Обеспечение подразделений объекта автоматизации инструктивно-методическими материалами; • Внедрение классификаторов информации. На этапе 2 "Подготовка и обучение персонала" проводится: • Обучение персонала и • Проверка его способности обеспечить функционирование АСУТП. На этапе 3 • "Комплектация АСУТП программными и техническими средствами, программно-техническими комплексами, информационными средствами" обеспечивается: • Получение комплектующих изделий серийного и единичного производства, материалов и монтажных изделий. • Проводится входной контроль их качества На этапе 4 "Строительно-монтажные работы" производится: • Выполнение работ по строительству специализированных зданий (помещений) для размещения технических средств и персонала АСУТП; • Сооружение кабельных каналов; • Выполнение работ по монтажу технических средств и линий связи; • Испытание смонтированных технических средств; • Сдача технических средств под проведение пусконаладочных работ. На этапе 5 "Пусконаладочные работы" проводится: • Автономная наладка технических и программных средств; • Загрузка и проверка информации в базах данных; • Комплексная наладка всех средств системы. На этапе 6 "Проведение Предварительных испытаний" осуществляются: • Испытания АСУТП на работоспособность и адекватность Техническому заданию, и в соответствии с Программой и методикой Предварительных испытаний; • Устранение неисправностей и внесение изменений в документацию на АСУТП, включая эксплуатационную в соответствии с Протоколом испытаний; • Оформление Акта о приемке АСУТП в Опытную эксплуатацию. На этапе 7 "Проведение Опытной эксплуатации" проводится: • Опытная эксплуатация АСУТП; • Анализ результатов Опытной эксплуатации АСУТП; • Доработка (при необходимости) программного обеспечения АСУТП; • Дополнительная наладка (при необходимости) технических средств АСУТП; • Оформление Акта о завершении Опытной эксплуатации. На этапе 8 "Проведение Приемочных испытаний" проводятся: • Испытания на соответствие Техническому заданию в порядке, определенном Программой и методикой Приемочных испытаний; • Анализ результатов испытаний АСУТП и устранение недостатков, выявленных при испытаниях; • Оформление Акта о приемке АСУТП в Постоянную (промышленную) эксплуатацию. 15. Стадия "Сопровождение АСУТП" Этапы: 1) Выполнение работ в соответствии с гарантийными обязательствами. 2) Послегарантийное обслуживание. 3) Оценка эффективности работы АСУТП. 4) Технический и экономический аудит АСУТП. 16 Содержание этапов стадии "Сопровождение АСУТП" На этапе 1 "Выполнение работ в соответствии с гарантийными обязательствами" осуществляются: • Работы по устранению отказов, выявленных при эксплуатации АСУТП в течение установленных гарантийных сроков; • Гарантийное обслуживание и замена дефектных компонентов; • Внесение необходимых изменений в документацию на АСУТП. На этапе 2 "Послегарантийное обслуживание" производится: • Анализ функционирования АСУТП; • Выявление отклонений фактических эксплуатационных характеристик АСУТП от проектных значений; • Установление причин этих отклонений; • Устранение выявленных недостатков и обеспечение стабильности эксплуатационных характеристик АСУТП. На этапе 3 "Оценка эффективности работы АСУТП" производится: • Сбор исходных данных для оценки эффективности работы АСУТП; • Расчет эффективности работы АСУТП по утвержденной методике; • Составление отчета; • Подготовка рекомендаций по дальнейшему развитию АСУТП. На этапе 4 "Технический и экономический аудит АСУТП" производится: • Организация и проведение внутреннего аудита АСУТП; • Выбор внешней организации-аудитора эффективности АСУТП; • Организация и проведение внешнего аудита АСУТП; • Анализ результатов аудита; • Планирование работ и утверждение Программы мероприятий по усовершенствованию и развитию АСУТП. SCADA-СИСТЕМА Характеристика SCADA-системы В современной АСУ ТП при управлении от ЭВМ верхнего уровня взаимодей­ствие между оператором и технологиче­ским процессом осуществляется с помо­щью программного обеспечения, полу­чившего общее название SCADА. Необходимо различать программное обеспечение SCADA-системы, реализующее функции конкретной АСУ ТП, и набор инструментальных про­граммных средств, предназначенный для разработки такого программного обеспечения. Обе группы программного обеспечения тесно связа­ны (например run-time компоненты ин­струментальной системы непосредст­венно используются в объектовом ПО). SCADA-система (Supervisory Control And Data Acquisition System) - система сбора данных и оперативного диспет­черского управления. В названии присутствуют две основные функции, возлагаемые на SCADA-систему: • сбор данных о контролируемом тех­нологическом процессе; • управление технологическим про­цессом, реализуемое операторами на основе собранных данных и правил (критериев). SCADA-системы в иерархии программного обеспечения систем про­мышленной автоматизации находятся на верхних уровнях АСУ ТП и обеспечивают выпол­нение следующих основных функций. 1. Прием информации о контролируе­мых технологических параметрах от контроллеров нижних уровней и дат­чиков. 2. Сохранение принятой информации в архивах. 3. Вторичная обработка принятой ин­формации. 4. Графическое представление хода тех­нологического процесса, а также при­нятой и архивной информации в удобной для восприятия форме. 5. Прием команд оператора и передача их контроллерам нижних уров­ней и непосредственно исполнительным механизмам. 6. Регистрация событий, связанных с контролируемым технологическим процессом и действиями оперативного персонала. 7. Оповещение оперативного персонала об аварийных событиях, связан­ных с контролируемым технологиче­ским процессом и функционировани­ем программно-аппаратных средств АСУТП с регистрацией действий пер­сонала в аварийных ситуациях. 8. Формирование сводок и других от­четных документов на основе архив­ной информации. 9. Обмен информацией с автоматизи­рованной системой управления пред­приятием. 10.Непосредственное автоматическое управление технологическим процессом в соответствии с заданными алгоритмами. Таким образом, SCADA-система собирает информацию о технологическом про­цессе, обеспечивает интерфейс с опера­тором, сохраняет историю процесса и осуществляет автоматическое управле­ние процессом в том объеме, в котором это необходимо. Инструментальные SCADA-системы обеспечивают возмож­ность программирования не только контроля процесса, но и непосредственного автоматичес­кого управления технологическим про­цессом. Однако совмещения функций автоматического управления и операторского интерфейса на одном компьютере может иметь и ряд нега­тивных последствий. Используемая операционная система компьютера (например, Windows) может не обеспечивать необ­ходимую для конкретного технологиче­ского процесса скорость и/или детерми­нированность реакции SCADA-системы на события процесса. В случае зависания операционной системы и перезапуска компьютера оператором могут происходить аварийные потери управления и нарушения процесса вплоть до аварий. Для выполнения перечисленных выше функций SCADA приклад­ная программа может разрабатываться практи­чески на любом языке высокого уровня об­щего назначения. Причем по быстро­действию, ресурсоемкости и другим по­казателям эффективности программ­ного обеспечения такая программа мо­жет даже опережать аналогичное ПО, созданное с помощью специализиро­ванных инструментальных SCADA-систем. Однако, использование инструментальной SCADA-системы для этих целей имеет то неоспоримое преимущество, что может осуществляться и поддерживаться в ходе эксплуатации специалистом по автоматизации технологических процессов, который чаще всего не владеет специальными знаниями по программированию ЭВМ. В большинстве случа­ев инструментальные SCADA-системы поз­воляют значительно ускорить процесс создания ПО верхнего уровня АСУ ТП, не требуя при этом от разработчика знаний современных процедурных языков программирования общего на­значения. В тонкостях ав­томатизируемого технологического процесса разбирается только технолог или другой представитель технологиче­ского персонала, как правило, не обла­дающий навыками программирования. Конфигурирование SCADA-системы При построении SCADA-системы для задания алгоритмов управления необходимо решить следующие задачи: • описание всех информационных сигналов; • описание алгоритмов управления, контроля и обработки сигналов; • описание всех управляющих сигналов. В общем виде схему функций системы можно представить как последовательность блоков на рис. 28. Входом системы будет совокупность сигналов состояния объекта управления (информационные и измерительные сигналы от датчиков на объекте управления). На основании этой информации, а также информации о заданном состоянии объекта управления, по определённым для системы управления алгоритмам вычисляются требуемые сигналы управления. Эти сигналы подаются на исполнительные механизмы объекта управления, что приводит к целенаправленному изменению его состояния. При описании сигналов для каждого сигнала нужно указать место нахождения в системе информации об этом сигнале, привязав сигнал к конкретному источнику информации (датчику, измерительному преобразователю) или приёмнику информации (исполнительному механизму). Эта задача решается в процессе конфигурации системы управления, в результате чего каждому сигналу присваивается адрес, по которому к нему можно обратиться. Значение сигнала рассматривается как некоторая переменная, которую можно читать или устанавливать. Схема обращения к определённому источнику или приёмнику информации в SCADA-системе показана на рис. 29. Для возможности обращения к некоторой переменной процесса (чтение её значения или выдача этого значения на объект) ей присваивается адрес. Этот адрес учитывает адрес контроллера в системе управления и адрес самой переменной в структуре контроллера, что позволяет обращаться к конкретному входу или выходу контроллера. Программа SCADA-системы, используя адрес переменной, с помощью драйвера связи устанавливает связь с соответствующим контроллером и читает или устанавливает нужную переменную. Для связи с контроллером может использоваться локальная вычислительная сеть ЛВС. Инструментальная SCADA-система GENIE Рассмотрим в качестве примера инструментальную SCADA-систему GENIE фирмы Advantech. Состав этой простой инструментальной SCADA-системы показан на рис. 30. GENIE состоит из программы конфигурации системы управления (Установка устройств) и программы задания алгоритма управления (Построитель стратегий). При конфигурировании системы определяются имеющиеся в её составе устройства ввода-вывода сигналов. Устройство ввода-вывода является аппаратным средством, предназначенным для ввода и/или вывода данных в программу управления. Как правило, устройства ввода-вывода имеют подсистемы аналого-цифрового преобразования, цифро-аналогового преобразования, дискретного ввода и дискретного вывода в различных сочетаниях в зависимости от исполнения устройства. Устройства ввода-вывода могут быть выполнены в виде плат, подключаемых к магистрали (шине) расширения, расположенной внутри компьютера, либо в виде отдельных модулей, подключаемых к компьютеру по какому-либо последовательному каналу связи. Перед началом эксплуатации устройств ввода-вывода в составе системы следует произвести их аппаратную настройку при помощи входящих в состав устройств переключателей либо специализированного программного обеспечения, поставляемого в комплекте с устройствами. Перед началом работы устройств ввода-вывода под управлением пакета GENIE следует выполнить настройку параметров добавленного устройства при помощи программы установки устройств Advantech Device Installation. Установка устройства состоит из следующих операций: 1) Включение драйвера устройства в перечень загружаемых драйверов операционной системы управляющего компьютера. Обычно эти драйверы автоматически устанавливаются при инсталляции GENIE. 2) После установки драйвера устройства, добавление устройств (экземпляров устройств одного типа), обслуживаемых данным драйвером, при помощи программы установки устройств Advantech Device Installation. На рис. 31 показан пример установки устройства ввода-вывода в SCADA-системе GENIE. Для конфигурации системы запускается программа установки, позволяющая автоматически обнаружить в системе все устройства, совместимые с SCADA-системой GENIE. Из списка устройств выбираются используемые при работе устройства и для них уточняются адреса. Состав устройств ввода-вывода можно изменять (при их фактическом присутствии в системе управления). На рис. 31 указано имеющееся в системе устройство ввода Advantech DEMO I/O, которому присвоен адрес 1H (шестнадцатеричный адрес). Этот адрес может быть изменён при настройке устройства. При наличии в системе других совместимых устройств, их можно добавить к имеющемуся устройству и назначить им соответствующие адреса. Настройка (конфигурирование) устройства состоит в установке значений параметров конфигурации экземпляра устройства в соответствии с результатами аппаратной настройки физического устройства (платы, модуля). Установка значений параметров экземпляра устройства выполняется в соответствующей диалоговой панели, вызываемой путем выбора названия экземпляра устройства в списке устройств диалоговой панели Установка и настройка устройств ввода-вывода программы Advantech Device Installation и нажатием кнопки Настройка... Экземпляром устройства является устройство ввода-вывода, добавленное в список установленных устройств при помощи программы установки устройств Advantech Device Installation, и имеющее уникальные значения параметров конфигурации. Например, в список устройств может быть добавлено три модуля сбора данных и управления PCL-818, каждый из которых имеет собственный базовый адрес и другие параметры. Запись о каждом из указанных модулей в списке устройств представляет экземпляр устройства. Все экземпляры однотипных устройства обслуживаются одним загружаемым драйвером (в данном примере PCL818.DLL). В последующее при построении алгоритма управления к установленному устройству можно обращаться, для чтения его сигнала (рис. 32). Для обращения используется функциональный элемент A1 – блок аналогового ввода-вывода. Данный функциональный блок предназначен для приема информации от устройств, имеющих подсистему ввода аналоговых сигналов, и передачи указанных сигналов другим функциональным блокам и элементам отображения. С блоком связывается конкретное устройство ввода путем выбора такого устройства из состава установленных в системе устройств. Для этого вызывается панель свойств устройства. Щелчок левой клавишей мыши на изображении стрелки, расположенной справа от поля Устройство, приведет к появлению списка всех устройств с подсистемой аналогового ввода, драйверы и экземпляры которых установлены в системе. После выбора устройства, его название будет отображаться в поле Устройство. Для устройства ввода-вывода определяются дополнительные параметры ввода-вывода сигналов. При этом осуществляется связь между входным (или выходным) сигналом и алгоритмом (стратегией) управления. Задание алгоритма управления Наиболее распространенным способом задание алгоритма управления SCADA-системе является графическое представление алгоритма в виде блок-схемы или мнемосхемы. Наиболее простые способы представления алгоритма управления используются в инструментальных SCADA-системах GENIE и КРУГ-2000. В GENIE алгоритм управления описывается функциональной блок-схемой, с которой связываются элементы графического интерфейса пользователя. В этой системе алгоритм управления рассматривается как стратегия управления. Для разработки стратегии управления в GENIE служит программный модуль Построитель стратегий. Стратегия - это совокупность одной или несколь­ких задач вместе с одной или большим количеством экранных форм, а также одним основным сценарием. Задача, экранная форма и основной сценарий являются тремя основными элементами, используемыми при про­ектировании стратегий. Простейшая стратегия имеет одну задачу с одной эк­ранной формой и не имеет основного сценария. Построитель стратегий GENIE предоставляет в рас­поряжение пользователя четыре различных редактора: • Редактор задач, • Редактор форм отображения, • Редактор отчетов, • Редактор сценариев. Указанные редакторы используются для создания, отладки и модификации задач, экранных форм, отчетов и сце­нарных процедур соответственно. Поскольку в рамках одной страте­гии может присутствовать не­сколько задач, то имеется воз­можность создания множества окон в Редакторе задач. По той же самой причине, можно со­здавать множество окон в Редак­торе форм отображения для редактирования множества эк­ранных форм. В Редакторе сце­нариев может быть открыто только одно окно. Редактор задач пред­назначен для реализа­ции прикладных алго­ритмов создаваемой системы. Алгоритм задаётся в виде функциональной блок схемы. GENIE имеет большое количество встроенных стандарт­ных функциональных блоков для реализации различных алгорит­мов сбора данных и управления. Разработка системы сводится к раз­мещению пользователем функциональ­ных блоков в окне задачи и установле­нию между ними связей, определяемых алгоритмом обработки данных. Пользователем созда­ется блок-схема стратегии путем выбора объ­ектов (пиктограммы функ­циональных блоков) из набора инструментов Ре­дактора задач и соединения их линиями связи для передачи данных от одного блока к другому. Редактор форм отобра­жения пред­назначен для создания дина­мических эк­ранных форм отображения (элементов графического интерфейса оператора), связанных с исполняемой стратегией сбора данных и управле­ния. Ре­дактор форм отображения обеспечи­вает возможность разработки удобных для восприятия экранных форм путем использования входящих в пакет стандартных элемен­тов отображения и управления. Кроме того, графический интерфейс опера­тора может быть усовершенствован с помощью специальных инструментов рисования и элементов отображения, определяемых пользователем. Редактор отчетов предназначен для разработки и генерации отчетов о работе АСУ ТП. Ре­дактор отчетов пакета GENIE предо­ставляет разработчику на этапе проек­тирования, а пользователю - в процес­се эксплуатации системы возможность определять содержание отчета, форми­руемое на основе собираемых данных и действий оператора, с последующей автоматической печатью в определен­ные моменты времени. Средства, вхо­дящие в Редактор отчетов, могут быть использованы для выбора и печати от­четов вручную в требуемый момент времени. Редактор отчетов пакета GENIE обес­печивает выполнение пяти основных функций: сбор данных, конфигуриро­вание формата отчетов, составление расписания автоматической печати от­четов, генерацию отчета событий и ге­нерацию отчета тревог. Редактор сценариев предназначен для управления задачами, вычислениями и анализом данных в процессе ис­полнения стратегии. Данное мощное средство создания сценарных процедур, совместимое с Microsoft Visual Basic. Бей­сик-сценарий является наиболее важ­ным компонентом пакета GENIE, обес­печивающим возможность разработки специализированных фрагментов стратегии. Ядро подсистемы программирова­ния и исполнения сценарных проце­дур пакета GENIE представляет собой набор библиотек динамической ком­поновки, с помощью которых выпол­няется предварительная компиляция сценарных процедур на этапе разра­ботки и их исполнение в процессе вы­полнения всей стратегии. Бейсик-сце­нарий обеспечивает возможность не только управления задачами, входящи­ми в стратегию, но и взаимодействия с DOS, Windows и другими приложения­ми посредством механизмов DDE, OLE, ODBC (SQL) и прямых вызовов функ­ций интерфейса прикладного про­граммирования Windows API. Редактор сценариев представляет собой редактор текста с рядом удоб­ных возможностей для редактирова­ния кода сценария. Разработка стратегии управления При запуске построителя стратегий GENIE у пользователя появляется возможность работы с окнами Редактора задач и Редактора форм отображения (рис. 33). Задача представляет собой набор функциональных бло­ков, отображаемых в окне зада­чи в виде пиктограмм. Экранная форма представляет собой набор элементов отображения и элементов управления. Пиктограммы функциональных блоков и элементы отображения/управления являются стандартными «кирпичика­ми» для построения стратегии. Они очень похожи по внешнему виду, за ис­ключением того, что элементы отобра­жения служат для реализации гра­фического интерфейса пользова­теля, в то время как пиктограммы блоков скрыты во время исполне­ния стратегии. Соединения между функцио­нальными блоками в процессе раз­работки стратегии могут устанавливаться посредством видимых и невидимых связей. Соединения между пиктограммами блоков явля­ются видимыми в окне Редактора задач. Такое соедине­ние называется провод­ником, поскольку по своему назначению оно аналогично проводам в электрических схемах. Соединения между пик пик­тограммами блока и элементами отображе­ния невидимы. Поэтому они называются связя­ми. Каждая задача и эк­ранная форма имеют собственные парамет­ры. Впервые созданная новая задача или новая экранная форма имеют заданные по умолчанию параметры, которые могут быть изме­нены пользователем в соответствии с требованиями алгоритма. Задача имеет такие параметры, как период сканиро­вания (интервал времени между теку­щим и следующим вызовом задачи для исполнения), эффективный интервал исполнения (абсолютное время выпол­нения задачи), метод запуска и метод завершения. Экранная форма имеет такие параметры, как имя, стиль отображе­ния окна, состояние и др. Пример решения задачи автоматического регулирования для некоторой величины показан на рис. 34. С использованием редактора задач построена стратегия регулирования, предусматривающая ввод сигнала обратной связи от соответствующего устройства ввода, воспринимающего измерительную информацию от датчика на объекте управления, расчёт управляющего воздействия с использованием закона ПИД-регулирования (реализация ПИД-регулятора) и вывод сигнала управления на устройство вывода, соединённое с исполнительным механизмом объекта. Блок AI задает устройство ввода аналогового сигнала от датчика. При настройке блока ему ставится в соответствие конкретное устройство ввода-вывода из имеющихся в системе управления, а также указывается конкретный вход устройства в случае многоканального устройства ввода. Выбор устройства и задание его параметров осуществляются при вызове окна настройки блока, показанного на рис. 34. Блок ПИД задаёт алгоритм ПИД-регулирования. Этот блок также настраивается. Можно задать коэффициенты усиления каналов регулятора, величину уставки и ряд других характеристик регулятора. Для указания приемника сигнала управления от регулятора используется блок аналогового вывода AO, который связывается путём настройки с устройством вывода системы управления, соединённым с исполнительным механизмом объекта управления. Для задания связи между блоками используются проводники, указываемые с использованием соответствующего инструмента редактора задач. Изображённая структурная схема позволяет описать для GENIE алгоритм управления. Этот алгоритм будет реализован в процессе автоматического управления за счёт программного обеспечения GENIE и дополнительного программирования управляющей ЭВМ не требуется. Чтобы оператор АСУ ТП мог контролировать автоматическую работу системы и при необходимости мог вмешиваться в её работу, следует спроектировать интерфейс оператора. Эта задача решается с использованием редактора форм отображения. Форма отображения процесса управления включает различные средства для вывода информации о сигналах в системе (графики, цифровые индикаторы, светосигнальные и звуковые индикаторы и др.), а также средства, позволяющие оператору вводить сигналы управления (аналоговые и дискретные) и другую информацию. На рис. 35 показан пример построения простейшего интерфейса для отображения состояния процесса ПИД-регулирования. Использован график для отображения характера изменения управляемой величины во времени и два цифровых индикатора. Первый цифровой индикатор выдаёт текущее значение управляемой величины, а второй – значение управляющего воздействия на выходе ПИД-регулятора. Средства управления для оператора в рассматриваемом примере не предусмотрены. Однако инструменты Редактора форм отображения позволяют создавать кнопки, движковые регуляторы и другие элементы для ввода как дискретных, так и аналоговых сигналов, что позволяет, например оператору включать и выключать исполнительные механизмы, изменять уставки и настройки и выполнять другие действия, необходимые при ручном управлении. Остальные средства GENIE позволяют решать задачи архивирования информации о процессе, обработку аварийных ситуаций и печать отчетов заданной формы о технологическом процессе. GENIE простая инструментальная SCADA, позволяющая создавать сравнительно простые системы управления с ограниченными возможностями. Другие инструментальные SCADA, например, такие как WinCC, In Touch, TRACE MODE, GENESIS32, GENIE, RSView 32, имеют существенно большие возможности и расширенный набор инструментов. Однако в целом эти системы решают те же задачи, что и GENIE, но более совершенными методами. Надежность систем Самостоятельно. Анализ надежности некоторых систем Микропроцессорные средства управления систем Микропроцессор (МП) — это программно-управляемое устройство, предназначенное для обработки цифровой информации, представленной в двоичной форме, и управления процессом этой обработки, реализованное на одной или нескольких больших интегральных схемах (БИС). Микропроцессорная система (МПС) — это совокупность взаимосвязанных устройств, включающая в себя один или несколько МП, память — запоминающее устройство (ЗУ), устройства ввода-вывода (УВВ) и ряд других устройств, предназначенных для выполнения некоторых четко определенных функций. Микроконтроллер (МК) — устройство, выполняющее функции логического анализа (сложные последовательности логических операций) и управления, реализуемое на одной или нескольких БИС. Данное микропроцессорное устройство, в отличие от МП рассчитанное для узкоспециализированного применения, за счет сокращения функций по выполнению арифметических операций позволяет уменьшить его аппаратную сложность и развить функции логического управления. Микропроцессорную систему, используемую для управления электроприводами и технологическими комплексами, часто называют управляющей вычислительной машиной (УВМ). Структура и взаимосвязь основных средств микропроцессорной техники в рамках микропроцессорных УВМ показана на рисунке 1. Рисунок 1 - Структура микропроцессорной управляющей вычислительной машины Микропроцессор включает в себя арифметико-логическое устройство (АЛУ), устройство управления (УУ) и блок регистров (БРГ), в который входят регистры, аккумулятор адреса, флаговые состояния, программный счетчик общего назначения и т.д. Арифметико-логическое устройство предназначено для выполнения арифметических и логических операций с данными, представленными в двоичной форме, АЛУ и УУ составляют центральное процессорное устройство (ЦПУ). Помимо МП (одного или нескольких) МПС включает в себя оперативное (ОЗУ) и постоянное (ПЗУ) запоминающие устройства, УВВ и ряд других устройств. Особый класс устройств в составе УВМ составляют устройства связи с объектом (УСО). Взаимодействие частей УВМ осуществляется посредством шин: адресной (ША), данных (ЩД), и управления (ШУ), связывающих в единую систему компоненты МПС, а также шин измерения, контроля и управления, которые совместно с соответствующими УСО или с устройствами связи с процессом обеспечивают непосредственное взаимодействие МПС с управляемым объектом или процессом. Шина адреса — набор однонаправленных сигнальных линий, по которым от ЦПУ к памяти или устройствам ввода-вывода передаются коды адреса. Шина данных — набор двунаправленных сигнальных линий, по которым передаются данные между ЦПУ и памятью либо устройствами ввода-вывода. Шина управления — набор сигнальных линий, которые используются для синхронизации работы ЦПУ и других элементов компьютерной системы. Конструктивно МПС могут быть подготовлены для работы с человеком-оператором, т.е. иметь клавиатуру, дисплей и другие необходимые компоненты, в этом случае ее называют микроЭВМ. Возможно также предназначение МПС для агрегатирования, т.е. для работы в конструктивно и функционально едином комплексе аппаратуры. Микропроцессор — это управляющее устройство с гибким алгоритмом работы, который программно закладывается в память процессора. Заложенная в ЗУ программа может быть изменена или полностью заменена для выполнения других функций управления, т.е. МП является универсальным устройством. Возможность программирования определяет широту использования МП для решения разных задач управления. Последовательность команд, обеспечивающих реализацию требуемого алгоритма управления, образует программу. Команды, заложенные в программу, выполняются МП в пошаговом режиме в записанной последовательности. Каждая команда программы содержит информацию о том, что нужно делать с исходными данными (операндами) и по какому адресу поместить результат операции. Первая часть команды содержит код операции (КОП) (например, сложение, логическое сравнение и др.). Вторая часть команды — адресная — содержит адреса расположения операндов, с которыми проводится данная операция и адрес регистра или ячейки памяти, куда должен быть помещен результат. Бывают и безадресные команды. Команды, адреса и операнды МП выражаются многоразрядными двоичными кодами. Современные МП, предназначенные для управления электроприводами, оперируют с 16-разрядными словами (количеством информации, обрабатываемой за цикл работы МП). Составленные на языках программирования низкого (язык ассемблера и др.) или высокого (Бейсик, Си, Паскаль и др.) уровня программы далее переводятся (транслируются) с помощью специальных кросс-программ в систему машинных кодов, которыми оперирует МП. Память ОЗУ и ПЗУ в составе МПС служит для размещения данных, программы и результатов обработки данных. Для расширения возможностей МПС могут использоваться и внешние запоминающие устройства (ВЗУ). Устройства ввода-вывода информации служат для взаимодействия МПС с оператором и управляемым объектом. К УВВ относятся пульты управления и программирования, дисплеи и другие внешние устройства, а также БИС параллельного и последовательного интерфейсов. Устройства связи УСО обеспечивают связь МПС с внешними для МПС устройствами: датчиками, несущими информацию, подлежащую обработке в МП, и устройствами управления силовой частью электропривода. Поскольку некоторые датчики и устройства управления могут быть аналоговыми, возникает задача перевода аналоговой информации в цифровую и обратно. Эта операция осуществляется аналого-цифровыми АЦП и цифроаналоговыми ЦАП преобразователями, входящими в состав УСО. Алгоритмы управления — последовательность выполнения логических операций, необходимых для совершения некоторых действий или для решения задачи. Алгоритм может иметь словесное описание, наряду с этим он может быть формализован в виде структурной схемы. Степень детализации поставленной задачи определяет вид схемы алгоритма. Математическое описание систем Автоматизированная система SA - сложная система с определяющей ролью элементов двух типов: технических средств (прежде всего ЭВМ) sT и действий человека sH: SA = {{sT}, {sH}, {s0}, {l}, F}, где s0 - остальные элементы системы. Параметры системы θ1, θ2, ..., θm — это характеристики системы, остающиеся постоянными на всем интервале моделирования Τ, θ=(θ1, θ2, ..., θm) ∈ Θ ⊂ Rm. К независимым переменным относятся следующие характеристики. 1.  Входные воздействия на систему (сигналы): u1, u2, …, un1. Входные воздействия в момент t∈𝒯 характеризуются вектором u = u(t) = (u1(t), ..., un1(t)) ∈ U ⊂ Rn1. Среди {ui} могут быть как управляющие воздействия, так и неуправляющие. 2.  Воздействия внешней среды: контролируемые (наблюдаемые) и неконтролируемые (ненаблюдаемые), детерминированные и случайные воздействия. В момент t∈Τ они характеризуются вектором υ = υ(t) = (υ1(t), ..., υn2(t)) ∈ V ⊂ Rn2. 3.  Переменные, характеризующие состояние системы x1, x2, ..., хn3. В отличие от {θi} состояния {xi} характеризуют свойства системы, изменяющиеся во времени. Состояние системы в момент t∈𝒯 описывается вектором x = x(t) = (x1(t), ..., xn3(t)) ∈ X ⊂ Rn3. где X — пространство состояний или фазовое пространство системы (множество возможных значений вектора х). Если t1 < t2 < … — моменты изменения состояния системы, то последовательность x(t1), x(t2), ... называется фазовой траекторией системы. К зависимым переменным относятся следующие характеристики.     1.  Выходные характеристики (сигналы) системы y1, y2, …, yn4, определяемые в момент t∈𝒯 вектором y = y(t) = (y1(t), ..., yn4(t)) ∈ Y ⊂ Rn4. y = y(t) называется выходной траекторией системы. Рисунок 1 - Связь между зависимыми и независимыми переменными 2. Показатели эффективности (ПЭ) функционирования системы w1, w2, …, wk характеризуют степень достижения системой ее цели, (т.е. характеризуют качество функционирования системы) и образуют вектор w=w(t)=(w1(t), …, wk(t)) ∈ W ⊂ Rk, t∈𝒯. ПЭ представляются в виде некоторых функционалов wi=wi(u(t), υ(t), x(t), y(t), θ, t), t∈𝒯, i=1..k. При наличии в системе случайных факторов (например, случайных воздействий внешней среды) значения {wi} являются также случайными и поэтому не могут служить показателями эффективности. В этих случаях в качестве ПЭ используют средние значения {Wi}, определяемые соотношениями Wi=E{wi}, i=1..k, где Е{ } — символ математического ожидания.