Основы проектирования приборов и систем. Лекции

Лекция 1

1.1 Предмет и содержание курса. Основные положения. Особенности управления промышленным предприятием (классификация, отличительные факторы, виды производств и варианты структур промышленных предприятий). Автоматизированные системы промышленных предприятий (2 часа)

Всередине 70-х годов на Западе наблюдалась особая активность в сфере информационных технологий: они развивались, предоставляли все больше возможностей, а главное - становились всё более и более доступными. Результатом этого блага, помимо всего прочего, стало активное развитие систем промышленной автоматизации.

Российский рынок систем промышленной автоматизации начал складываться только в 80-90-е годы ХХ века. На место не вписавшихся в новую экономику проектных институтов пришли коммерческие фирмы, которые и начали работать на нужды развивающейся промышленности.

Внастоящее время рынок российской автоматизации продолжает расти быстрыми темпами. По оценкам зарубежных аналитиков, его ежегодный прирост составляет 20-25% (для сравнения европейский рынок каждый год прирастает в среднем на 4,5%).

Очевидно, что российский рынок автоматизации ещё далёк от насыщения. Многие отечественные предприятия и даже целые отрасли ещё только возрождаются.

Сегодня на российском рынке идёт борьба за потребителя, компании конкурируют друг с другом. В этой конкурентной борьбе побеждает тот, кто раньше других начал переводить своё производство на мировые технологические стандарты. Одной из важнейших составляющих технологического лидерства являются автоматизированные системы управления (АСУ) и информационные системы, позволяющие оптимизировать все бизнеспроцессы, снизить издержки, выпускать современные и качественные товары. А так как по уровню технологической оснащённости Россия всё ещё отстаёт от европейских стран, нам есть куда развиваться, и в ближайшие несколько лет спрос на оборудование для автоматизации будет только расти.

Формирование рынка АСУ напрямую связано с развитием промышленности, которое, в свою очередь, зависит от экономического состояния страны.

Впоследнее время наиболее интенсивно развиваются предприятия следующих отраслей:

черная металлургия 39 % прироста производства; промышленность строительных материалов 34 %; топливная промышленность 32 %; пищевая промышленность 32 %;

лесная, деревообрабатывающая и целлюлозная промышленность 27 %; химия и нефтехимия 25 %; машиностроение и металлообработка 24 %; цветная металлургия 22 %.

Развитие российской промышленности во многом определяется географическими особенностями нашей страны. На этой большой территории различные отрасли промышленности сконцентрированы в разных регионах. Например, металлургия, энергетика, добывающие отрасли - на Урале и в Сибири, нефтегазовый комплекс - в Западносибирском регионе, транспорт, военно-промышленный комплекс, судостроение - на Северо-западе России, а Центральный регион характеризуется развитыми наукоёмкими отраслями и так далее. Соответственно, потребности в оборудовании и системах автоматизации в каждом регионе несколько различаются.

Промышленные предприятия по размерам принято делить на малые (до 100 работающих), средние (от 1000 до 5000 работающих) и крупные (более 5000).

Какие же особенности являются наиболее существенными для автоматизации промышленных предприятий?

В отличие от банка, торговой фирмы или государственного учреждения, для производственного предприятия первичным является технологический процесс, управлением которого занимается развитая структура производственных служб. Количество, состав и выполняемые ими функции могут очень сильно меняться в зависимости от отрасли, вида и размера предприятия. Специфика производства сильно влияет и на структуры и на состав экономических служб предприятия.

Традиционно, внутри предприятия компьютеризируют бухгалтерский учет и оперативное управление финансами. Для любого промышленного предприятия важными являются задачи связанные с организацией и управлением производственного процесса - долгосрочные (год-квартал), среднесрочные (ежемесячные) и оперативные (неделя, сутки, часы).

Таким образом, для управления предприятием важным является управление производством, и, следовательно, его компьютеризация.

Для средних и больших предприятий характерно наличие в составе одного предприятия большого числа производственных единиц. Эти единицы могут сильно отличаться по размерам, номенклатуре выпускаемой продукции, характеру производства.

Структура большинства действующих промышленных предприятий, в отличие от торговли или финансовой сферы, ориентирована на плановое хозяйство. Новые подразделения, появлявшиеся для решения рыночных задач, создавались параллельно и не были органично вписаны в существующую схему управления. На крупных предприятиях неизбежно сосуществование систем с различными технологиями, заметно отличающихся по глубине автоматизации, по широте охвата подразделений, по набору реализованных возможностей. Поэтому модернизацию информационной структуры, замену старых программных комплексов на новые и расширение объема задач автоматизации лучше всего

производить постепенно.

Для многих предприятий очень важен фактор больших расстояний. Средние и крупные предприятия занимают несколько зданий, и дистанция между наиболее удаленными точками может достигать нескольких километров. Подразделения территориально распределенных предприятий могут располагаться на расстояниях десятков и сотен километров друг от друга.

Еще один аспект, специфичный для отечественных промышленных предприятий - острая нехватка вычислительной техники.

Несмотря на многообразие промышленных предприятий, все они могут быть разбиты на определенные группы.

Рассмотрим классификацию предприятий: с дискретным производством, с непрерывным производством и с

производством по заказам.

Основным отличительным признаком дискретного производства является наличие счетных единиц выпускаемой продукции. Это предприятия машиностроения, приборостроения и др. Для таких производств характерны - широкая номенклатура исходных компонентов, наличие значительных трудовой и амортизационной (износ оборудования) составляющих затрат на производство. Такие предприятия отличает большое разнообразие выпускаемой продукции. Дискретное производство подразделяется на: единичное, мелкосерийное и массовое. Дискретные производства обладают значительными складскими запасами материалов и комплектующих, остатками незавершенного производства, а также значительным объемом готовой продукции на складах.

Основным отличительным признаком непрерывного производства является постоянный технологический процесс, который не может быть прерван в произвольный момент времени. При этом выпуск конечного продукта тоже является непрерывным во времени. Чаще всего, непрерывным является процесс подачи сырья. Для непрерывного производства характерны незначительный объем или полное отсутствие остатков незавершенного производства и запасов готовой продукции. Конечный продукт при этом непосредственно направляется потребителю. Для подобных производств характерны значительные энергетическая и сырьевая составляющие. В таких производствах часто встречаются неразрывные внутренние связи между отдельными технологическими процессами и между различными видами продукции, производимыми в ходе одного процесса. Например, при переработке нефти на одной установке одновременно получаются нефтепродукты от газойля и бензина до мазута и битума, причем состав выпускаемой продукции невозможно изменить. Непрерывными производствами являются энергетика, нефтегазодобыча и переработка, химия, отчасти металлургия и пищевая промышленность.

Основным отличительным признаком производства по заказам является уникальный характер каждой единицы выпускаемой продукции. Это строительство и ремонт, проектные работы, научные разработки. Для таких производств характерен длительный производственный цикл (до нескольких лет), и наибольший объем незавершенного производства.

Для каждого из типов производств характерны своя структура управления, свой набор служб и отделов. Поэтому программное обеспечение и этапы компьютеризации для каждого вида предприятия заметно отличаются. Многие фирмыразработчики предлагают специализированные системы для автоматизации каждого из видов производств.

В рамках одного предприятия могут выделяться основные, вспомогательные и обслуживающие производства.

Например, для электростанции основным производством является выработка электроэнергии и отпуск тепла, вспомогательным - ремонтные подразделения, установка для очистки и обессоливания воды, а обслуживающими - столовая или здравпункт.

Самой мелкой единицей организационной структуры производства являются участки (бригады), возглавляемые мастерами. На небольших предприятиях эти единицы подчиняются директорату напрямую. Следующей, более крупной, единицей являются цеха. Каждый цех связан с определенной стадией технологического процесса, с определенным производственным оборудованием, с видом выполняемых работ. Цех является основной производственной единицей. Для крупных предприятий, в которых существует несколько производств, выделяются еще более крупные организационные единицы - заводы, объединяющие несколько цехов. Большие производственные объединения, распределенные территориально, могут состоять из обособленных структурных подразделений или филиалов. Каждый филиал имеет отдельный законченный производственный процесс.

Помимо подразделений, непосредственно участвующих в производстве продукции - участков, цехов, заводов, производств, в структуру любого предприятия входят общезаводские службы и подразделения, осуществляющие управление. Эти службы делятся на: технические и экономические.

С точки зрения автоматизации в структуре управления предприятия можно выделить следующие подсистемы:

1)Подсистема организационно-экономического управления;

2)Подсистема организационно-технического управления;

3)Подсистема управления технологическими процессами.

1) В рамках подсистемы организационно-экономического управления осуществляется управление всеми финансово-экономическими аспектами хозяйственной деятельности предприятия. Основным критерием отнесения подразделения к данной подсистеме является то, что управляемые процессы выражаются в финансовых показателях. Экономические службы, подчиняются директору предприятия (генеральному директору), либо его заместителю по экономике (финансовому директору). Отделы и службы, входящие в данную подсистему при отсутствии автоматизации сталкиваются с большим объемом рутинной работы по учету, подсчету итоговых сумм и подготовке отчетных форм. Поэтому они автоматизируются в первую очередь, и компьютеризация решения локальных задач в них может дать заметный положительный эффект. В данную подсистему входят следующие блоки:

бухгалтерия (учет и подготовка внешней отчетности); финансовый отдел (оперативное управление денежными средствами и расчетами);

планирование и анализ экономической деятельности (плановый отдел, отдел экономического анализа);

коммерция (сбыт, маркетинг); снабжение.

Для компьютеризации экономической подсистемы могут применяться стандартные решения. При этом не стоит забывать о связи экономической и технических составляющих производства. Например, бухгалтерия большинства промышленных предприятий имеет развитый производственный учет, причем процедуры учета затрат и методики расчета себестоимости продукции кардинально отличаются для различных отраслей. Другим аспектом управления промышленным предприятием является тесная связь снабжения и сбыта с производственным процессом.

2) В рамках подсистемы организационно-технического управления осуществляется руководство всей технической стороной производства. Основным критерием отнесения подразделения к данной подсистеме является то, что выполняемые ими функции относятся к организации производственного процесса. Все технические службы и производственные подразделения (производства, заводы, цеха, участки) подчиняются первому заместителю директора - главному инженеру предприятия (техническому директору). У главного инженера может быть несколько заместителей по тем или иным техническим вопросам. Среди технических служб можно выделить следующие:

службы, занимающееся организацией, контролем и анализом производственного процесса (производственный или производственно-технический отдел);

службы, отвечающие за эксплуатацию и ремонт того или иного оборудования (отдел ремонтов, службы главного механика и главного энергетика);

службы, непосредственно управляющие технологическим процессом (служба главного технолога, диспетчерская, группа режимов);

отдел техники безопасности.

Задачи компьютеризации технического управления специфичны для каждой отрасли, поэтому здесь велика доля специализированного или заказного программного обеспечения.

Организационно-техническая подсистема непосредственно связана с подсистемой управлением технологическим процессом, получая от нее информацию о ходе процесса и передавая задания на управление технологическим циклом.

Системы компьютеризации организационно-технического и организационно-экономического управления объединяются в автоматизированные системы управления производством (АСУП).

3) Подсистема управления технологическими процессами осуществляет непосредственно управление ходом технологического процесса. Объектом управления здесь являются не финансы и не работники предприятия, а непосредственно технологическое оборудование (см. рисунок 1) - электродвигатели, задвижки, клапана и т.д. В рамках данной подсистемы можно выделить, например, локальные системы автоматического управления (САУ), которые выполняют отдельные функции автоматически (без участия человека), и автоматизированные системы управления технологическими процессами (АСУ ТП), которые осуществляют комплексное управление конкретным технологическим процессом (с участием человека) или всем технологическим циклом (интегрированные АСУ ТП).

Современные АСУ ТП снабжаются автоматизированными рабочими местами операторов, подсистемами архивирования информации, расчета технико-экономических показателей работы единиц оборудования и целых производств, оптимизации работы оборудования по экономическим критериям. В подобных системах стирается грань между верхним уровнем АСУ ТП и нижним уровнем АСУП организационно-технического управления.

Рисунок 1 - Технологическое оборудование

Для создания любой системы управления необходимы следующие основные условия: задание цели управления, выбор направления поиска, критерии управления,

ресурсы для реализации управления, информация о состоянии объекта.

При управлении любым объектом управляющей системе требуется информация. Простейшая структура системы управления объектом представлена на рисунке 2.

Разрыв в любой цепи структуры приводит к нарушению замкнутости системы управления, которая перестает существовать.

Рисунок 2 - Простейшая структура системы управления

Важным моментом в процессе получения количественных сведений о величине параметра является воспроизведение и селекция требуемой для измерения информации от объекта управления. Измерительный процесс представляет собой последовательность измерительных преобразований от восприятия физической величины до формирования и представления ее числового значения в той или иной форме. Таким образом, для определения состояния физического объекта, то есть определения его свойств, необходим непосредственный контакт средства измерений с физической средой. При этом для исключения потерь информации необходим правильный выбор метода измерения и времени усреднения результата измерений. Технические средства, контактирующие с физической средой и преобразующие значения физических величин в электрические сигналы, называются первичными преобразователями или датчиками. Преобразователь устройство, обеспечивающее любые преобразования информации в другие виды. Обычно преобразователи следуют один за другим (вторичный, промежуточный), причем первым является чувствительный элемент. Чувствительный элемент преобразователь, который воспринимает физическую величину и преобразует ее в необходимую форму. Датчики размещаются на объекте контроля, и их совокупность представляет нижний уровень АСУ ТП (см. рисунок 3).

Рисунок 3 - Датчики на объекте контроля

Первичную обработку информации, поступающей с объектов контроля и управления, обеспечивают программируемые контроллеры (ПК) или программируемые логические контроллеры (ПЛК), находящиеся на среднем уровне АСУ ТП. Они не имеют средств визуализации (см. рисунок 4).

Рисунок 4 - Программируемые контроллеры

На верхнем уровне АСУ ТП находятся компьютеры, выполняющие функции серверов баз данных и рабочих станций, в которых хранится и анализируется поступившая информация за заданный интервал времени. Они обеспечивают визуализацию информации и взаимодействие с персоналом системы (см. рисунок 5).

Рисунок 5 - Верхний уровень АСУ ТП

Технические средства среднего и верхнего уровня в своем составе содержат специальное программное обеспечение, который под управлением которого они выполняют возложенные на них функции.

Одним из прогрессивных методов, применяемых в АСУ ТП, можно назвать супервизорное управление, осуществляемое с верхнего уровня АСУ ТП, в том числе и через Интернет. Суть его заключается в том, что наблюдение за состоянием объекта осуществляется с удаленного компьютера с использованием браузера. Но кроме мониторинга этот метод позволяет управлять процессом. Для этого на удаленный компьютер устанавливается копия проекта,

выполняющегося на сервере предприятия. В этом случае всю обработку информации выполняет локальный компьютер, а сервер лишь пересылает данные, считанные с датчиков, установленных на объекте контроля.

Совершенно новым подходом построения промышленных сетей является применение ПЛК не как контролирующего устройства, а как сервера. Дело в том, что раньше ПЛК выполнял роль основного управляющего устройства реального времени, а сервер АСУ ТП собирала данные от разных контроллеров и передавала их системам более высокого уровня. Теперь ПЛК становится самостоятельным сервером, который способен собирать данные от нижестоящих устройств и предоставлять их любому клиенту в сети. Алгоритм управления объектом в реальном времени для принятия решений не требует связи с оператором. Кроме контроля процесса ПЛК может осуществлять диагностику собственного состояния и встроенного сервера с дальнейшей передачей данных оператору. В этом случае кроме первичной обработки данных ПЛК осуществляет вторичную обработку информации, выработку решения и формирование управляющих воздействий на объект управления посредством исполнительных устройств и механизмов (устройства сигнализации, клапаны, электроприводы, насосы, электронагреватели и др.), представленные на рисунке 6. Исполнительные устройства и механизмы размещаются на объекте управления, и их совокупность представляет нижний уровень АСУ ТП.

Рисунок 6 - Исполнительные устройства и механизмы на объекте управления

Таким образом, классическая структура АСУ ТП имеет три уровня иерархии:

нижний уровень, где размещаются преобразователи (датчики), исполнительные устройства и механизмы; средний уровень, где находятся ПК или ПЛК; верхний уровень, где располагаются сервера и рабочие станции.

Иерархическая трехуровневая структура АСУ ТП представлена на рисунке 7.

Рисунок 7 - Иерархическая трехуровневая структура АСУ ТП

Лекция 2

1.1Комплекс стандартов и руководящих документов на автоматизированные системы. (0,5 часа)

Рассмотрим документ: РД 50-682-89. Методические указания. Информационная технология.

Комплекс стандартов и руководящих документов на автоматизированные системы. Основные положения.

1.1.1 Назначение единого комплекса стандартов и руководящих документов автоматизированных систем (ЕКС АС).

ЕКС АС - комплекс документов, обеспечивающих стандартизацию и унификацию автоматизированных систем (АС) всех видов, процессов их создания, функционирования и развития.

Назначение ЕКС АС заключается в установлении единых правил и требований, выполнение которых обеспечивает:

необходимые технический уровень, качество и эффективность функционирования создаваемых

АС;

сокращение затрат и сроков создания АС;

совместимость различных видов АС; типизацию и унификацию в АС, внедрение промышленных технологий создания АС;

упорядочение процесса создания, развития и функционирования АС.

1.1.2 Структура ЕКС АС: группа 0 общие положения; группа 1 основные положения;

группа 2 правила документирования; группа 3 обеспечение совместимости;

группа 4 требования к составным частям АС; группа 5 требования к АС;

группа 6 создание, функционирование и развитие АС; группа 7 типовые и унифицированные решения в АС; группа 8 прочие стандарты; группа 9 - резерв.

Пример обозначения стандарта ЕКС АС представлен на рисунке 8.

Рисунок 8 - Обозначение стандарта ЕКС АС

1.2Основные термины и определения (0,5 часа)

Рассмотрим документ: ГОСТ 34.003-90. Информационная технология. Комплекс стандартов на

автоматизированные системы. Автоматизированные системы. Термины и определения.

Рассмотрим следующие наиболее употребимые термины и определения:

1) Автоматизированная система система, состоящая из персонала и комплекса средств автоматизации его деятельности, реализующая информационную технологию выполнения установленных функций.

средств создания и заполнения машинной информационной базы при вводе системы в действие достаточных для выполнения одной или более задач автоматизированной системой.

5) Автоматизированное рабочее место (АРМ) программно-технический комплекс автоматизированной системы, предназначенный для автоматизации деятельности определенного вида.

сохранять во времени в установленных пределах значения всех параметров, характеризующих способность автоматизированной системы выполнять свои функции в заданных режимах и условиях эксплуатации.

8)Устройство связи с объектом (УСО) устройство, предназначенное для ввода сигналов с объекта

вавтоматизированную систему и вывода сигналов на объект.

9) Входная информация автоматизированной системы информация, поступающая в автоматизированную систему в виде документов, сообщений, данных, сигналов, необходимая для выполнения функций автоматизированной системы.

10) Выходная информация автоматизированной системы информация, получаемая в результате выполнения функций автоматизированной системой и выдаваемая на объект ее деятельности, пользователю или в другие системы.

11) Управляющая функция АСУТП функция АСУТП, включающая получение информации о состоянии технологического объекта управления, оценку информации, выбор управляющих воздействий и их реализацию.

12) Информационная функция АСУТП функция АСУТП, включающая получение информации, обработку и передачу информации персоналу АСУТП или во вне системы о состоянии технологического объекта управления или внешней среды.

13) Вспомогательная функция АСУТП функция АСУТП, включающая сбор и обработку данных о состоянии АСУТП и либо представление этой информации персоналу системы или осуществление управляющих воздействий на соответствующие технические и/или программные средства АСУТП.

1.3 Назначение и классификация автоматизированных систем в зависимости от сферы деятельности. Состав и структура, виды структур, принципы создания АС (1,5 часа)

Рассмотрим документ: РД 50-680-88. Методические указания. Автоматизированные системы.

Основные положения.

1.3.1Назначение автоматизированных систем.

Автоматизированная система представляет собой организационно-техническую систему, обеспечивающую выработку решений на основе автоматизации информационных процессов в различных сферах деятельности (управление, проектирование, производство и т.д.) или их сочетаниях.

1.3.2Классификация автоматизированных систем в зависимости от сферы деятельности: Автоматизированные системы управления ОАСУ, АСУП, АСУТП, АСУ ГПС; Системы автоматизированного проектирования САПР; Автоматизированные системы научных исследований АСНИ; Автоматизированные системы обработки и передачи информации АСОИ;

Автоматизированные системы технологической подготовки производства АСТПП; Автоматизированные системы контроля и испытаний АСК; Системы, автоматизирующие сочетания различных видов деятельности.

1.3.3Состав и структура автоматизированных систем.

1)В процессе функционирования автоматизированная система представляет собой совокупность комплексов средств автоматизации (КСА), организационно-методических и технических документов и специалистов, использующих их в процессе своей профессиональной деятельности.

2)Виды обеспечения, разрабатываемые при проектировании систем (техническое, программное, информационное, организационно-методическое, метрологическое, правовое, математическое, лингвистическое, эргономическое, режимное).

3)Проектные решения по программному, техническому и информационному обеспечениям реализуют как изделия в виде взаимоувязанной совокупности компонент и комплексов, входящих в состав АС.

4) Проектные решения по остальным видам обеспечений входят в состав АС в качестве организационно-методических и эксплуатационных документов или реализуют в компонентах программного, технического и информационного обеспечений.

1.3.4Виды структур, используемых при описании систем:

связи операции преобразования информации в системе).

1.3.5Принципы создания автоматизированных систем:

1)Принцип системности заключается в том, что при декомпозиции должны быть установлены такие связи между структурными элементами системы, которые обеспечивают цельность автоматизированной системы и ее взаимодействие с другими системами.

2)Принцип развития (открытости) заключается в том, что исходя из перспектив развития объекта автоматизации, автоматизированная система должна создаваться с учетом возможности пополнения и обновления функций и состава автоматизированной системы без нарушения ее функционирования.

3)Принцип совместимости заключается в том, что при создании систем должны быть реализованы информационные интерфейсы, благодаря которым она может взаимодействовать с другими системами в соответствии с установленными правилами.

4)Принцип стандартизации (унификации) заключается в том, что при создании систем должны быть рационально применены типовые, унифицированные и стандартизованные элементы, проектные решения, пакеты прикладных программ, комплексы, компоненты.

5)Принцип эффективности заключается в достижении рационального соотношения между затратами на создание автоматизированной системы и целевыми эффектами, включая конечные результаты, получаемые в результате автоматизации.

1.4 Проектирование автоматизированных систем. Стадии создания и этапы работ по проектированию автоматизированных систем. Содержание работ (2 часа)

Рассмотрим документ: ГОСТ 34.601. Информационная технология. Комплекс стандартов на

автоматизированные системы. Автоматизированные системы. Стадии создания.

Стадии создания, этапы и содержание работ по проектированию автоматизированных систем сведены в таблицу 1.

Таблица 1 - Стадии создания, этапы и содержание работ по проектированию АС