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

Формировать частные технические задания на подсистемы АСУ и программное обеспечение.

Группа стадий «Исполнение системы» завершается передачей заказчику разработанных материалов:

Технические и программные средства АСУТП;

Рабочая документация на АСУТП.

Нa стaдии зaвeршeния рaбoт стeпeнь и oтвeтствeннoсть испoлнитeля oпрeдeляeтся с тeхничeским зaдaниeм и услoвиями дoгoвoрa.

Aвтoмaтизaция прoeктирoвaния AСУ ТП в энергетике:

Современные системы автоматизированного управления отличаются сложной структурой технических и программных элементов, разнообразием выполняемых управленческих функций. В сложившейся ситуации актуальным решением выступает применение специализированных систем автоматизации проектирования (САПР).

Автоматизированное проектирование предполагает использование вычислительной техники и программного обеспечения, ориентированных на подготовку проектной документации. Сами САПР автоматизируют лишь отдельные процедуры, осуществляемые проектировщиком.

Центральным элементом процесса остаётся сам специалистпроектировщик, обладающий знанием:

Объекта проектирования;

Цели проектирования;

Этапов и методов проектирования;

Инструментов проектирования.

САПР, автоматизирующие работу проектировщика, должны содержать готовые:

Модели процессов, происходящих в системе;

Модели входных и выходных объектов и сигналов;

Шаблоны управления этими процессами и сигналами.

Учитывая сложность и многообразие целей АСУ, невозможно создать универсальные САПР общего назначения:

Все существующие САПР специализированы;

Специализированы также проектировщики, создающие АСУ.

Основная задача создания САПР состоит в увеличении продуктивности инженерной деятельности, достигаемой за счёт:

Снижения трудоёмкости проектных процедур и планового анализа;

Сокращения временных интервалов проектирования;

Уменьшения производственных издержек проектирования и выпуска продукции;

Минимизации эксплуатационных расходов;

Повышения качественных и технико-экономических характеристик результата проектирования;

Экономии финансов, затрачиваемых на экспериментальное

воспроизведение и тестирование изделий.

41

Способы достижения вышеуказанных целей:

Введение автоматизированных механизмов составления технической документации;

Поддержка информационной инфраструктуры и повышение уровня автоматизации операций принятия решений;

Реализация принципов одновременного проектирования разных аспектов изделия;

Стандартизация проектных подходов и организационных схем проектирования;

Повторное задействование ранее полученных проектных предложений, архивных сведений и опыта;

Проведение стратегических исследований и перспективного проектирования;

Замена физических испытаний виртуальным компьютерным моделированием;

Улучшение контроля над качеством проектных работ;

Активация методик альтернативного выбора проектов и оптимизационного подхода.

Впроцессе жизненного цикла САПР решают задачи автоматизации стадий проектирования и подготовки серийного производства.

Конструктивно система автоматизированного проектирования подразделяется на следующие компоненты:

Средства, обеспечивающие функционирование;

Функциональные подсистемы;

Программно-методические комплекты (ПМК);

Программно-технические комплекты (ПТК);

Комплекс оборудования и инструментов для автоматизированного проектирования (КСАП).

Особенности структуры САПР:

Подсистемы САПР выступают автономными компонентами, обладающими всеми признаками полноценных систем и формируемыми как самостоятельные единицы.

Каждая подсистема представляет собой выделенный сегмент САПР, предназначенный для выполнения ряда взаимосвязанных проектных задач с формированием соответствующих инженерных решений и сопроводительной документации.

Исходя из функционального назначения, выделяют два типа подсистем:

Проектирующие подсистемы;

Вспомогательные подсистемы.

Проектирующие подсистемы предназначены для реализации конкретных этапов проектирования или групп связанных проектных задач.

Они классифицируются на две группы:Объектно-ориентированные;

42

Инвариантные.

Oбъeктныe выполняют операции, непосредственно связанные с конкретным типом проектируемых объектов.

Инвaриaнтныe – подсистемы реализуют общие алгоритмы проектирования, подходящие для множества типов объектов.

Вспомогательные подсистемы обеспечивают общую функциональность для остальных подсистем и системы в целом. Их роль заключается в поддержке функционирования проектирующих подсистем, обработке и передаче данных, сопровождении программного обеспечения и прочих операциях. Совокупность вспомогательных подсистем именуется

системной средой (оболочкой) САПР.

Кoмпoнeнты и срeдствa oбeспeчeния СAПР:

Компоненты и инструменты поддержки САПР состоят из элементов, обеспечивающих работоспособность каждой отдельной подсистемы. Каждый компонент выполняет определенную функцию в составе подсистемы и представляет собой минимальный неделимый элемент, разработанный отдельно или приобретаемый отдельно для САПР, например, программу, файл модели транзистора, графический дисплей, инструкцию и другие составляющие.

Совокупность однотипных компонентов образует средство обеспечения САПР. Выделяют следующие типы обеспечений САПР:

1.Техническое обеспечение (ТО) – совокупность взаимодействующих аппаратных устройств, необходимых для нормального функционирования САПР, включающая разнообразные технические устройства.

2.Математическое обеспечение (МО) объединяет математические подходы, построенные на моделях и алгоритмах, используемые для решения задач автоматизированного проектирования. МО делится на две части:

Методы и основанные на них математические модели объектов проектирования или их частей;

Формализованный способ описания технологии автоматизированного проектирования.

3.Программное обеспечение (ПО) представляет собой совокупность компьютерных программ, используемых для осуществления процесса проектирования. Это ПО подразделяется на общесистемное и прикладное:

Общесистемное ПО используется для координации работы аппаратных средств и обеспечения работоспособности прикладных программ (например, операционная система).

Прикладное ПО реализует математическое обеспечение для непосредственного выполнения проектных операций. К нему относятся пакеты прикладных программ, предназначенные для обслуживания

43

определенных этапов проектирования или однородных задач в разных этапах.

4.Информационное обеспечение (ИО) – комплекс данных,

необходимых для выполнения проектирования. Оно включает описание стандартных проектных процедур, типовых проектных решений, комплектующих изделий и моделей, правил и нормативных положений проектирования. Основная составляющая ИО САПР – базы данных и системы управления базами данных (СУБД).

5.Лингвистическое обеспечение (ЛО) – совокупность языков,

используемых в САПР для представления информации о проектируемых объектах, процессах и средствах проектирования, а также для взаимодействия проектировщика с компьютером и обмена данными между техническими средствами САПР. Включает терминологию, определённые правила формализации естественного языка, методики сжатия и развёртывания данных. Внутри ЛО выделяются классы различных видов языков проектирования и моделирования.

6.Методическое обеспечение (МетО) описывает технологию функционирования САПР, методику выбора и применения пользователями технологических приемов для получения конечных результатов. Содержит теорию протекающих процессов в проектируемых объектах, методы анализа, синтеза систем и их составляющих, различные методики проектирования.

7.Организационное обеспечение (ОО) – совокупность документов,

определяющих структуру проектной организации, взаимодействие подразделений, организационные схемы объекта и системы автоматизации, порядок работы в условиях функционирования системы, формы представления результатов проектирования. Сюда входят штатные расписания, должностные инструкции, правила эксплуатации, приказы, положения и прочая документация.

Помимо перечисленных ранее категорий, в САПР дополнительно выделяется эргономическое и правовое обеспечение.

Эргономическое обеспечение: объединение взаимосвязанных требований, направленных на адаптацию психологических, психофизиологических, антропометрических особенностей и возможностей человека к характеристикам технических средств автоматизации и параметрам рабочей среды рабочего места.

Правовое обеспечение: включает правовые нормы, регулирующие правоотношения при функционировании САПР, а также правовой статус результатов ее деятельности.

Классификация САПР по отраслевому назначению различает следующие категории:

1. MCAD (Mechanical Computer-Aided Design) –

автоматизированное проектирование механических конструкций. Применяются в машиностроении, автомобилестроении, судостроении, авиакосмической промышленности, производстве товаров народного

44

потребления. Используют разработку деталей и сборочных единиц (механизмов) с применением параметрического проектирования на основе конструктивных элементов, поверхностного и объёмного моделирования:

SolidWorks, Autodesk Inventor, CATIA.

2.EDA (Electronic Design Automation) или ECAD (Electronic

Computer-Aided Design) – САПР электронных приборов, радиоэлектронных средств, печатных плат и аналогичных устройств:

Altium Designer, OrCAD.

3.AEC CAD (Architecture, Engineering and Construction Computer-Aided Design) или CAAD (Computer-Aided Architectural Design) – САПР архитектурных и строительных сооружений. Используется для проектирования зданий, промышленных объектов, дорог, мостов и других инфраструктурных объектов: Autodesk Revit Architecture, ArchiCAD.

Классификация САПР или подсистем САПР по целевому назначению выделяет их по различным аспектам проектирования:

1.CAD (Computer-Aided Design/Drafting) – средства автоматизированного проектирования. Предназначены для автоматизации двухмерного и трехмерного геометрического проектирования, создания конструкторско-технологической документации.

2.CAE (Computer-Aided Engineering) – средства автоматизации инженерных расчетов, анализа и симуляций физических процессов. Осуществляют динамическое моделирование, проверку и оптимизацию изделий. Подкласс средств CAE, используемых для компьютерного анализа, обозначается термином CAA (Computer-Aided Analysis).

3.CAM (Computer-Aided Manufacturing) – средства технологической подготовки производства изделий. Обеспечивают автоматизацию программирования и управления оборудованием с числовым программным управлением (ЧПУ) или гибкими автоматизированными производственными системами (ГАПС). Российский аналог термина – АС ТПП (автоматизированная система технологической подготовки производства).

4.CAPP (Computer-Aided Process Planning) – средства автоматизации технологического планирования, применяемые на границе систем CAD и CAM.

Многие современные системы объединяют в себе задачи, относящиеся к разным аспектам проектирования CAD/CAM, CAD/CAE или CAD/CAE/CAM. Такие системы называют комплексными или

интегрированными.

45

6. ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ НЕЗАВИСИМОСТЬ АСУ ТП В ЭНЕРГЕТИКЕ. ТЕРМИНЫ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ

Раздел посвящен изложению вариации творческого видения* основ разрабатываемой в РФ инновационной стратегии технологической независимости АСУ ТП в энергетике.

Технологическая независимость АСУ ТП подразумевает устойчивость системы к внешним и внутренним воздействиям на протяжении всего жизненного цикла, начиная от уровня устойчивости отдельного предприятия и заканчивая уровнем технологического суверенитета государства.

АСУ ТП представляет собой совокупность технических и программных средств, объединённых взаимосвязанными элементами и предназначенных для автоматизации управления технологическими процессами. В данном документе в состав АСУ ТП включены технические и программные компоненты, начиная от датчиков и исполнительных механизмов нижнего уровня до интерфейсных решений операторского уровня, учитывающих межуровневые и внутриведомственные связи.

Элемент АСУ ТП - техническое или программное средство, входящее в состав комплекса от нижних уровней (полевые датчики, исполнительные устройства) до верхних уровней (интерфейсы оператора), с учётом межуровневой и внутренней интеграции.

Критерий технологической независимости АСУ ТП – оценочная категория, используемая для подтверждения способности каждого компонента соответствовать установленным показателям технологической независимости, соответствующим отечественным нормам и правилам.

Технологический суверенитет (независимость) государства –

наличие национальной компетенции в разработке и владении важнейшими технологиями, обеспечивающими процветание и конкуренцию экономики, исключая зависимость от зарубежных государств.

Технологическая независимость предприятия – степень оснащённости необходимыми ресурсами для устойчивого функционирования технологического процесса.

Техническое обеспечение - полный набор технических средств АСУ ТП, исполняющих всю полноту автоматизированных функций системы, кроме участия человеческого ресурса.

Программное обеспечение (программные средства) АСУ ТП (ПО АСУ ТП) – совокупность программных модулей, созданных для проектирования, верификации, запуска и мониторинга работы автоматизированной системы управления технологическим процессом.

Процесс управление - упорядоченная серия сознательных действий, включающая мониторинг состояния объекта управления, выработку управляющего сигнала и последующую реализацию принятых решений.

Информационное обеспечение АСУ ТП - интеграция документов,

классификаторов, законодательных норм и проверенных практических

46

рекомендаций касательно объёма, размещения и способа представления информации, использующейся в ходе функционирования АСУ ТП.

Лингвистическое обеспечение АСУ ТП - комплекс средств и регламентов, применяемых для преобразования естественной речи в машинно-понятные конструкции, позволяющие пользователям и специалистам успешно взаимодействовать с автоматизированными инструментами.

Правовое обеспечение АСУ ТП - сборник нормативных актов,

регулирующих юридические аспекты эксплуатации автоматизированной системы и юридическое значение её результатов.

Автоматизированное тестирование ПО АСУ ТП - использование специализированных утилит и техник для автоматической проверки функциональности и производительности программного обеспечения с целью своевременного выявления недостатков и неисправностей.

Автономность ПО АСУ ТП - возможность программного продукта функционировать изолированно от иных компонентов системы, обеспечивая сохранение собственной целостности и работоспособности.

Безопасность ПО АСУ ТП - меры по защите программного обеспечения от атак злоумышленников, неправомерного использования или вредоносных воздействий, гарантирующие бесперебойную работу системы.

Гибкость ПО АСУ ТП - потенциал программного обеспечения адаптироваться к изменяющимся условиям и требованиям оперативного характера.

Интегрируемость ПО АСУ ТП - способность программного обеспечения координировать свою работу с иными системами и обеспечивать передачу данных для совместной обработки и достижения общих целей.

Исходные коды ПО АСУ ТП - доступность исходных кодов программного обеспечения, дающая возможность независимой экспертизы, модификации и дальнейшего самостоятельного развития.

Кроссплатформенность ПО АСУ ТП - приспособленность программного обеспечения к работе на различных аппаратных платформах (персональные компьютеры, планшеты, смартфоны и др.) без потери функциональности и необходимости доработки программного кода.

Масштабируемость ПО АСУ ТП - способность системы наращивать производительность и справляться с возрастающими нагрузками и большими массивами данных без ущерба для своей скорости реакции.

Модульное тестирование ПО АСУ ТП - пошаговая проверка отдельных фрагментов программного обеспечения для подтверждения их правильности и независимости друг от друга.

Модульность ПО АСУ ТП - принцип разделения системы на автономные блоки, допускающий изменение или замену одного блока без последствий для других компонентов.

47

Версия-независимость ПО АСУ ТП - возможность функционирования программного обеспечения с любыми версиями сопутствующего оборудования и программ без обязательного обновления всей системы целиком.

Независимость от производителя ПО АСУ ТП - свобода переноса системы на продукты других производителей без значительного переоборудования или переделок.

Поэтапное обновление ПО АСУ ТП - возможность усовершенствования и модернизации программного обеспечения по мере необходимости без остановки производственной деятельности и серьёзных преобразований.

Обратная совместимость ПО АСУ ТП - гарантия работы новейших версий программного обеспечения с устаревшим оборудованием и программами предыдущего поколения без полного отказа от прежнего оснащения.

Открытость API ПО АСУ ТП - предоставление открытости интерфейсов приложения, позволяющих третьим лицам свободно подключаться и взаимодействовать с системой АСУ ТП.

Использование открытых стандартов ПО АСУ ТП - ориентация на международные протоколы и стандарты, доступные для всех игроков рынка, устраняя привязанность к одному поставщику.

Соответствие стандартам безопасности ПО АСУ ТП -

соблюдение предписанных норм и мер защиты, предотвращающих возможные угрозы и нарушения безопасности системы

Распределенные системы ПО АСУ ТП - использование специальных архитектурных решений, позволяющих выполнять функции ПО на нескольких физических устройствах и управлять ими как единой системой.

Резервирование и восстановление ПО АСУ ТП - включение в систему механизмов автоматического резервирования данных и возможности быстрого восстановления после сбоев, чтобы обеспечить непрерывность работы и минимальные потери информации.

Скорость развертывания ПО АСУ ТП - возможность быстрого установки и настройки ПО без длительных процессов интеграции и конфигурирования.

Управление конфигурацией ПО АСУ ТП - система контроля и управления изменениями в программном обеспечении, аппаратных средствах и настройках, чтобы обеспечить целостность и версионность системы.

Устойчивость к отказам ПО АСУ ТП - способность системы продолжать работать нормально при возникновении отказов или сбоев в отдельных компонентах ПО.

48

Таблица 3

Критерии технологической независимости АСУ ТП