2.2. Стадии разработки систем автоматизации

Состав и содержание работ по созданию системы автоматизации зависят от особенностей создания АСУ ТП или АТК в целом. Например, система разрабатывается для вновь строящегося (оригинального) производства или для прототипа, либо для реконструируемого. При этом автоматизируемый ТОУ может существенно отличаться от действующих прототипов, либо быть близким к ним. В каждом из этих случаев организация и содержание работ по созданию системы управления технологическим процессом будут отличаться. Общая же их последовательность остается неизменной и складывается из следующих периодов и стадий.

Выделяют три периода: подготовка к созданию, создание и промышленная эксплуатация. Подготовка к созданию содержит одну стадию – технико-экономическое обоснование. Период внедрение состоит из пяти стадий: техническое задание (ТЗ), эскизная разработка, технический проект (ТП), рабочий проект (РП), внедрение системы управления (ввод в действие).

На стадии ТЗ (функциональная разработка) основным этапом являются предпроектные НИР. Главная задача этих работ – изучение технологического процесса как объекта управления. При этом определяют: цель и критерии качества функционирования ТОУ; технико-экономические показатели объекта прототипа и связи их с технологическими показателями. Определяется структура ТОУ: входные воздействия (контролируемые, неконтролируемые, управляющие), выходные координаты и связи между ними; тип математических моделей статики и динамики, значения параметров и их стабильность (степень стационарности ТОУ); статистические характеристики возмущающих воздействий.

Перечисленные задачи отнесят к проблемам характеризации и структуризации. При характеризации систем, т.е. при математическом или другом формализованном ее описании, предметом исследования является форма связи между переменными и параметрами системы. Характеризация управляемой системы (в отличие от систем вообще) отражает связи между управляемыми переменными и воздействиями, наиболее существенно влияющими на них. Под структуризацией понимают процесс формулирования реальных (достаточно нечетких) задач управления в виде, подающемся решению в рамках теории управления.

Наиболее трудоемкая работа на этапе НИОКР – построение ММ, которые в дальнейшем используются при синтезе АСУ ТП. При синтезе локальных систем регулирования (ЛАСР) используются линеаризованные модели динамики в виде линейных дифференциальных уравнений 1-го и 2-го порядков с запаздыванием. Параметры уравнений получают обработкой экспериментальных или расчетных переходных функций по различным каналам воздействий. Для решения задач оптимального управления статическими режимами используют конечные соотношения, полученные из уравнений энергетического и материального баланса ТОУ, или уравнения регрессии. В задачах оптимального управления динамическими режимами технологической установки обычно используют нелинейные дифференциальные уравнения. Их получают из уравнений материального и энергетического балансов, записанных в дифференциальной форме.

При выполнении предпроектных НИОКР применяют методы анализа систем автоматического управления (курс ТАУ), методы построения математических моделей (курс ММС).

Комплекс реализуемых способов защиты разрабатывают исходя из особенностей ТОУ, анализа аварийных ситуаций, а также категории взрывоопасности ТОУ. По заданной программе системы противоаварийной защиты (ПАЗ) автоматически перераспределяют материальные и энергетические потоки, включают и отключают аппараты, чтобы предотвратить взрыв, аварию, несчастный случай, выпуск некондиционной продукции и брак. При этом ТОУ переводится в безопасное состояние, вплоть до его останова.

Результаты предпроектных НИОКР используют на стадии эскизной разработки АСУ ТП. На этом этапе выполняются следующие работы: выбираются критерии и методы решения задачи оптимального управления ТОУ (ее декомпозиция при необходимости); разрабатывается функциональная и алгоритмическая структуры; определяются объемы информации о состоянии ТОУ и необходимые ресурсы вычислительного комплекса; предварительный выбор КТС.

Завершающим этапом эскизной разработки АСУТП является предварительный расчет технико-экономической эффективности разрабатываемой системы.

Следующей стадией создания нетиповой АСУ ТП является разработка технического проекта (ТП). Разработка технического проекта предполагает принятие основных технических решений на основе технического задания. На этом этапе развиваются и углубляются предпроектные НИР. Наиболее важный и трудоемкий этап на стадии технического проекта – разработка специального программного обеспечения системы. В результате окончательно выбирается состав КТС, выполняются расчеты по оценке надежности реализаций важнейших функций АСУ ТП и системы в целом.

На стадии рабочий проект (РП) разрабатывается состав документации, по которому ведутся монтажные и пуско-наладочные работы.

На стадии ввод в действие АСУ ТП, внедрение и анализ ее функционирования происходит физическая реализация системы и передача ее в промышленную эксплуатацию. На этой стадии проводятся монтажные, пуско-наладочные работы, опытная эксплуатация системы. Основанием для начала работ по вводу в действие АСУ ТП служит готовность рабочей документации и не серийных компонентов средств автоматизации.

В зарубежной практике проектирования рекомендуется следующая структура проекта:

ФАЗА 0 - разработка мастер - плана;

ФАЗА 1 - функциональная разработка:

- анализ технологии;

- оценка экономической прибыли;

- функциональная разработка;

- проектные спецификации;

ФАЗА 2 - детальное проектирование и программирование:

- детальный проект;

- программирование;

- установка вычислительных и управляющих программ;

- обучение;

ФАЗА 3 - привязка к объекту:

- интеграция системы;

- тестирование прикладных программ;

ФАЗА 4 – сдача:

- интеграция;

- настройка и сдача управления;

- окончательное обучение и документирование;

ФАЗА 5 – долговременная поддержка;

- периодические пересмотры;

- поддержка на площадке заказчика.

В современной практике долговременной поддержки применяются CALS-технологии (Continuous Acquisition and Life-cycle Support): непрерывное развитие и поддержка производства (1993 г.).

Диаграмма жизненного цикла АТК представлена на рис. 2.2. На рисунке обозначено: ПР – проектирование; С – строительство; ИС – исходное состояние; ГС – горячее состояние; НС – нормальное состояние (штатный режим); ДС – до аварийное состояние; ПС – предаварийное; АС – аварийное; РС – ремонтное; КС – конечное;1 – завершение строительства; 2 – пуск; 3 – останов; 4 – завершение пуска; 5 – управление развитием ситуации; 6 – сигнализация; 7 – корректировка технологического режима; 8 – диагностика ситуаций; 9 – авария; 10 – останов; 11 – завершение ремонта, проверка; 12 – плановый останов; 13 – плановое уничтожение/реконструкция установки; 14 – аварийное уничтожение/реконструкция.

Рис.2.2. Диаграмма жизненного цикла АТК