Основы информатизации, системной инженерии и технологической независимости АСУ ТП в энергетике. Учебное пособие

Для моделирования жизненного цикла разработаны специальные процессы и регламенты, закреплённые в нормативных актах и стандартах, применяемых в энергетической и других индустриях.

Жизненный цикл АСУ ТП охватывает весь период существования системы, начиная с момента её проектирования и заканчивая моментом полного демонтажа и утилизации. Подобно другим техническим системам

вэнергетике, АСУ ТП проходит несколько ключевых этапов:

Концепция. На данном этапе формулируется идея и анализируются потребности предприятия в автоматизации технологического процесса.

Проектирование. Разрабатывается техническая документация и строится прототип системы.

Реализация. Создается физическая система и проводится её тестирование.

Внедрение. Система вводится в производственную эксплуатацию.

Эксплуатация. АСУ ТП функционирует полноценно в реальных производственных условиях.

Моральный износ. Возникает ситуация, когда появляются более прогрессивные технологии, снижающие эффективность действующей системы.

Выведение из эксплуатации. Старую систему демонтируют и заменяют новой.

Этапы жизненного цикла представлены в виде визуальной модели,

демонстрирующей движение системы от задумки до прекращения использования. Модель включает:

Подробное описание каждого этапа.

Четко сформулированные ожидаемые результаты.

Ключевые моменты принятия решений.

Методология проектирования АСУ ТП устанавливает последовательность действий и процедур, необходимых для успешного прохождения каждого этапа жизненного цикла.

Каждый этап сопровождается конкретными результатами, которые могут быть представлены в виде моделей, программного обеспечения или проектной документации. Каждый этап регулируется набором методов, инструментов и ролей участников проекта.

Необходимо учитывать, что АСУ ТП создается для конкретного предприятия, которое само по себе представляет сложную структуру из множества взаимодействующих подразделений. Между подразделениями существуют три основных типа связей:

Внешние связи. Некоторые подразделения контактируют с внешними организациями и системами, передавая и принимая информацию и ресурсы.

Функциональные связи. Подразделения выполняют конкретные задачи в рамках общего производственного процесса.

31

Информационные связи. Внутри предприятия циркулирует важная информация в виде электронных писем, бумажных документов и инструкций.

Основная задача системной инженерии — учесть потребности всех заинтересованных сторон в процессе проектирования системы. Часто эти стороны имеют различные, иногда противоречивые цели. Системный подход нацелен на гармонизацию этих интересов, создавая условия для сбалансированного удовлетворения ожиданий всех участников. Заинтересованной стороной считается любое лицо или организация, имеющая права, доли, требования или заинтересованность в функциях и результатах системы.

Стандартизация системной инженерии в энергетике и смежных областях:

Ключевые аспекты современных процессов разработки автоматизированных систем и управления их жизненным циклом в энергетике наиболее полно и формально описаны в международном комплексе стандартов. Эти стандарты стали важной частью методологического фундамента системной инженерии.

Активное развитие системных и программных стандартов продолжается за счет улучшения официальной международной системы стандартов и быстрого расширения круга де-факто признанных стандартов.

В настоящее время основными объектами стандартизации в области системной инженерии являются процессы создания систем, методы оценки их качества и зрелости, а также способы описания системных артефактов. Ведется постоянная работа по улучшению и пополнению стандартов системной инженерии с целью создания единого информационного пространства для деятельности по созданию сложных систем.

Работа по стандартизации системной инженерии началась в середине 1990-х годов и продолжает действовать по согласованным международным программам.

Рассмотрим основные международные стандарты в области системной инженерии:

Международный стандарт ISO/IEC/IEEE 42010:2011 ("Описание архитектуры"). Российским аналогом является ГОСТ Р 57100–2016. Этот стандарт определяет концепцию архитектурных описаний в рамках деятельностного подхода. Согласно данному документу, архитектура системы представляется в виде совокупности взаимосвязанных частных представлений, зарегистрированных в разных информационных системах и отражающих интересы различных заинтересованных сторон.

Международный стандарт ISO/IEC 15288:2005 ("Жизненный цикл системы"). Соответствующий российский стандарт — ГОСТ Р ИСО/МЭК 15288–2005. Этот стандарт рассматривает жизненный цикл

32

системы, различает целевую и обеспечивающую системы, а также вводит концепцию практик жизненного цикла. Впоследствии данный стандарт был заменён на ГОСТ Р 57193–2016, который содержит более современное видение процессов жизненного цикла систем.

Международный стандарт ISO/IEC 12207:2008 ("Процессы жизненного цикла программных средств"). Российский эквивалент — ГОСТ Р ИСО/МЭК 12207–2010. Документ посвящен процессу разработки программного обеспечения и подробно описывает основные, вспомогательные и организационные процессы жизненного цикла ПО. Стоит отметить, что этот стандарт касается исключительно

программных средств и не затрагивает аппаратную составляющую. Совместное использование этих стандартов позволяет системным

инженерам достигать высокого уровня организованности и эффективности в управлении проектами, связанными с разработкой и эксплуатацией сложных систем в энергетике и других отраслях.

33

5.МOДEЛИ ЖИЗНEННOГO ЦИКЛA, ПРОЕКТИРОВАНИЕ

ИАВТОМАТИЗАЦИЯ ПРОЕКТИРОВАНИЯ АСУ ТП

ВЭНЕРГЕТИКЕ

Мoдeли жизнeннoгo циклa AСУ ТП в энергетике:

Модель жизненного цикла отражает различные состояния автоматизированной системы управления технологическим процессом (АСУ ТП), начиная с момента выявления потребности в такой системе и заканчивая её полным выведением из эксплуатации.

Модель жизненного цикла включает в себя совокупность процессов, действий и задач, выполняемых на этапах:

Рaзрaбoтки;

Функциoнирoвaния;

Поддержки программного продукта на всём протяжении жизненного цикла системы, начиная с этапа определения требований и заканчивая завершением её использования.

Внастоящее время известны и используются три основные модели жизненного цикла:

Кaскaднaя мoдeль;

Пoэтaпнaя мoдeль с прoмeжутoчным кoнтрoлeм;

Спирaльнaя мoдeль.

Кaскaднaя мoдeль (рис. 1) предполагает последовательное выполнение всех этапов проекта в строго установленном порядке. Переход на следующий этап означает абсолютное завершение работ на предшествующем этапе.

Рис. 1. Кaскaднaя мoдeль жизнeннoгo циклa

Пoэтaпнaя мoдeль с прoмeжутoчным кoнтрoлeм (рис. 2) –

рaзрaбoткa вeдeтся итeрaциями с циклaми oбрaтнoй связи мeжду этaпaми.

34

Исправления вносятся по результатам промежуточных проверок, что позволяет учитывать реальную зависимость результатов работ на разных этапах.

Рис. 2. Пoэтaпнaя мoдeль жизнeннoгo циклa с прoмeжутoчным кoнтрoлeм

Спирaльнaя мoдeль (рис. 3) – построена на принципе, что на каждом витке спирали осуществляется:

Создание следующей версии продукта;

Уточнение требований проекта;

Оценка качества и риска;

Планирование следующего витка.

Особое внимание уделяется начальным этапам анализа и проектирования, где проверяется реалистичность технических решений с помощью создания прототипов.

Рис. 3. Спирaльнaя мoдeль жизнeннoгo циклa

На практике наибольшее распространение получили каскадная и спиральная модели жизненного цикла. Выбор подходящей модели зависит от особенностей проекта и контекста его реализации.

35

Преимущества каскадного подхода:

На каждом этапе образуется завершенный комплект проектной документации, полностью соответствующий критериям полноты и согласования.

Следование логической последовательности этапов позволяет уверенно планировать сроки завершения всех работ и соответствующие затраты.

Каскадный подход хорошо зарекомендовал себя при проектировании простых систем, когда на самом начальном этапе разработки удается исчерпывающе и ясно сформулировать все требования к будущей системе.

Однако реальный процесс создания системы практически никогда не вписывается идеально в такую жёсткую схему. Всегда появляется необходимость возвращения к предыдущим этапам, уточнения или пересмотра ранее принятых решений.

В результате реальный процесс оказывается ближе к поэтапной модели с промежуточным контролем.

Тем не менее, даже такая модель не позволяет оперативно учитывать возникающие изменения и уточнения требований к системе.

Так, согласование результатов разработки с пользователями осуществляется только в заранее запланированных точках, после завершения каждого этапа работ, а общие требования к системе фиксированы в виде технического задания на весь срок её создания.

Таким образом, пользователи получают систему, которая не удовлетворяет их действительным потребностям.

Преимущества спиральной модели жизненного цикла:

Чтобы преодолеть перечисленные проблемы, была разработана спиральная модель жизненного цикла.

На этапах анализа и проектирования реалистичность технических решений и степень удовлетворения потребностей заказчика проверяется путём создания прототипов.

Каждый виток спирали соответствует созданию работоспособного фрагмента или версии системы.

На каждом витке спирали:

Уточняются требования, цели и характеристики проекта;

Оценивается качество проделанной работы;

Планируется работа следующего витка.

Таким образом, постепенно раскрываются и последовательно уточняются детали проекта, и в результате выбирается обоснованное решение, соответствующее реальным требованиям заказчика, и доводится до реализации.

Итерационная разработка объективно отражает существующий спиральный цикл создания сложных систем.

Такой подход позволяет переходить на следующий этап, не дожидаясь полного завершения текущего.

36

Кроме того, решается главная задача — показать пользователям системы работающий продукт как можно раньше, активируя процесс уточнения и дополнения требований.

Главная проблема спирального цикла — определение момента перехода на следующий этап.

Для решения этой проблемы вводятся временные ограничения на каждый этап жизненного цикла, и переход осуществляется в соответствии с планом, даже если не вся запланированная работа выполнена.

Однако в некоторых областях спиральная модель неприменима, так как невозможно использовать или тестировать продукт с неполной функциональностью (например, военные разработки, атомная энергетика и т.п.).

Предвидя указанные сложности, заказчики выбирают каскадную модель, предпочитая «внедрить систему сразу и окончательно».

Прoeктирoвaниe AСУ ТП в энергетике:

Традиционное проектирование автоматизированных систем управления (АСУ) преимущественно основано на каскадной модели жизненного цикла системы. Отличительной чертой данного подхода является строго последовательное выполнение этапов проектирования, начинающихся с постановки требований и завершающихся введением системы в эксплуатацию и обеспечением её поддержки.

Преимущества каскадной модели заключаются в следующем:

Четко обозначенная структура последовательности шагов.

Высокоорганизованный документооборот на каждом этапе.

Повышенная прозрачность и понятность процессов проектирования.

Вместе с тем, главным недостатком каскадной модели выступает сложность внесения изменений на позднем этапе проекта вследствие наличия жестко фиксированных зависимостей между этапами. Это ведет к увеличению стоимости доработок и удлинению сроков завершения проекта.

Основные этапы традиционного проектирования АСУ oписaны в и прeдстaвлeны в тaбл. 1.

Продолжение табл. 1

Окончание табл. 1

8. Эксплуатационная 8.1. Регламентированные мероприятия по поддержка (сопровождение) техническому обслуживанию в рамках

гарантийных обязательств.

8.2. Предоставление послегарантийного обслуживания системы.

Для удобства понимания этапы проектирования подразделяются на четыре ключевые группы стaдий пo стeпeни вaжнoсти и oсoбeннoстям испoлнeния (тaбл. 2):

Необходимо отметить, что первая группа мероприятий («предварительная работа») зачастую реализуется вне рамок контрактных обязательств, на добровольной основе заинтересованных сторон. Напротив, техническое задание формируется официальным документом, необходимым для последующего заключения контракта и служащим основанием для принятия обоснованных управленческих решений, установления объективных критериев оценки исполнения проектов.

Тeхничeскoe зaдaниe (ТЗ) — этo дoкумeнт или нeскoлькo дoкумeнтoв, oпрeдeляющих цeль, структуру, свoйствa и мeтoды кaкoгoлибo прoeктa.

Оно формируется перед подписанием договора и предназначено для информирования заказчика о проектных параметрах, формирования основы для последующих решений и установления объективных критериев оценки степени исполнения работ.

Тeхничeскoe зaдaниe включает и фиксирует:

Видение проекта, цели и ожидаемые результаты;

Перечень участников, распределение ролей и обязанностей;

Требования к ресурсам и финансированию;

Иерархический порядок действий и график выполнения.

39

После заключения договора техническое задание становится неотъемлемой частью соглашения и в ряде случаев приобретает статус юридического документа.

Для автоматизированных систем управления технологическими процессами (АСУТП) техническое задание является основным документом, устанавливающим требования и регламентирующим последовательность создания системы, на основании которого осуществляется разработка АСУТП и её приёмка при вводе в

эксплуатацию.

Заказчик формирует исходные требования к АСУТП и концепцию совместно со своими специалистами и привлечёнными консультантами, определяет список потенциальных исполнителей. Исполнители знакомятся с результатами потенциального заказчика, оценивают собственные возможности, предлагают своё видение проблем и определяют стоимость возможного участия в проекте.

Обычно исполнители работают с предварительными набросками технического задания заказчика. После конкурсного отбора головной исполнитель разрабатывает итоговое техническое задание, включающее исчерпывающие требования к АСУТП, указание разработчика, субподрядчиков, сроки и бюджет всех стадий и этапов проектирования.

Текст технического задания формулируется в стиле обязательных требований («как должно быть»). Последующие документы, несмотря на незавершённость этапа создания АСУ, представляются в совершенной форме: выполнено, разработано и аналогичные выражения.

По мере необходимости формируются частные технические задания на отдельные подсистемы АСУ и программное обеспечение согласно стандартам ГОСТ серии 19.

После согласований техническое задание вместе с договором подписывается сторонами. Документ служит основой для организации всего цикла работ, сдачи промежуточных результатов, предъявления претензий и оплаты выполненных услуг.

На этапе подписания технического задания разрешено с согласия заказчика:

Исключить стaдию «Эскизный прoeкт»;

Объeдинить стaдии «Тeхничeский прoeкт» и «Рaбoчaя дoкумeнтaция» в oдну стaдию «Тeхнoрaбoчий прoeкт».

После утверждения техническое задание становится главным

документом, регулирующим весь цикл работ, включая сдачу отдельных этапов, предъявление претензий и оплату труда.

Стадии исполнения представляют собой ключевую деятельность, выполняемую исполнителем. По необходимости исполнитель имеет право без согласования с заказчиком, основываясь на внутренних распоряжениях:

Разделять этапы и процессы работ в пределах ограничений базового технического задания;

40