Проектирование систем автоматизации. Курс лекций
.pdf
№ 2131 |
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ |
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ
«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ «МИСиС»
Кафедра компьютерных информационных и управляющих систем автоматики
Н.А. Захаров М.З. Салихов
Проектирование систем автоматизации
Курс лекций
Под редакцией Заслуженного деятеля науки РФ, доктора технических наук, профессора З.Г. Салихова
Рекомендовано редакционно-издательским советом университета
Москва 2011
УДК 681.5 З-38
Р е ц е н з е н т д-р техн. наук, проф. Г.Г. Раннев (МГОУ)
Захаров, Н.А.
З-38 Проектирование систем автоматизации : курс лекций / Н.А. Захаров, М.З. Салихов; под ред. З.Г. Салихова. – М. : Изд. Дом МИСиС, 2011. – 96 с.
ISBN 978-5-87623-534-3
Рассмотрена организация процесса проектирования в соответствии с дей- ствующими ГОСТами и требованиями законодательства. Описаны примене- ние программируемых логических контроллеров, SCADA-систем, организа- ция обработки накопленной в АСУТП информации. Разобраны вопросы ор- ганизации взрывозащиты и заземления. Рассмотрена методология управле- ния проектами и управления качеством.
Курс лекций предназначен для студентов специальности 210200 при изу- чении дисциплины «Проектирование систем автоматизации», может быть полезен в качестве учебного пособия бакалаврам, магистрам и специалистам других специальностей.
УДК 681.5
ISBN 978-5-87623-534-3 |
♥ Н.А. Захаров, |
|
М.З. Салихов 2011 |
2
ОГЛАВЛЕНИЕ |
|
Сокращения..................................................................................... |
4 |
1. Общие представления о проектировании................................ |
6 |
1.1. Основные понятия ................................................................... |
6 |
1.2. Взаимодействие с Заказчиком.............................................. |
10 |
1.3. Подготовка технического задания ....................................... |
14 |
1.4. Конструкторская документация. ГОСТы............................ |
18 |
1.5. Управление качеством .......................................................... |
23 |
1.6. Управление проектом. Стандарт PMBOK........................... |
35 |
2. Понятие систем реального времени....................................... |
40 |
3. Работа с данными...................................................................... |
46 |
3.1. SCADA-системы и построение АРМ оператора.................. |
46 |
3.2. Технологии Data Mining. OLAP ........................................... |
51 |
4. Построение системы управления............................................ |
61 |
4.1. Технологический объект управления .................................. |
61 |
4.2. Каналы ввода/вывода ............................................................ |
62 |
4.3. Подбор управляющего контроллера.................................... |
63 |
4.4. Построение резервированных систем. |
|
Особенности систем ПАЗ ............................................................ |
65 |
4.5. Взрывозащита ........................................................................ |
71 |
4.6. Заземление.............................................................................. |
77 |
4.7. Программирование контроллеров........................................ |
86 |
Библиографический список ......................................................... |
92 |
3
СОКРАЩЕНИЯ
АС – автоматизированная система АРМ – автоматизированное рабочее место
АЦП – аналогово-цифровой преобразователь БД – база данных
БЭМЗ – безопасный минимальный экспериментальный зазор ГОСТ – Государственный стандарт ЕСКД – Единая система конструкторской документации
ЕСПД – Единая система программной документации ЖЦ – жизненный цикл
ИСО – Международная организация по стандартизации (International Organization for Standardization, ISO)
МВТ – минимальный воспламеняющий ток
МЭК – Международная электротехническая комиссия (International Electrotechnical Commission, IEC)
ОС – операционная система ОСРВ – операционная система реального времени ПАЗ – противоаварийная защита
ПИД-регулятор – пропорционально-интегрально-дифференциаль- ный регулятор
ПЛК – программируемый логический контроллер ПО – программное обеспечение ПУЭ – Правила устройства электроустановок
РКС – язык релейно-контактных схем, то же, что и LD СРВ – система реального времени СУ – система управления
СУБД – система управления базами данных ТЗ – техническое задание ТКП – технико-коммерческое предложение
ТОУ – технологический объект управления ТП – технологический процесс ЦАП – цифро-аналоговый преобразователь
4
ANSI – American National Standards Institute – Американский на-
циональный институт стандартов
DART – Dynamic Arc Recognition and Termination – динамическое обнаружение и прерывание электрического разряда
DIN – Deutsches Institut für Normung e.V. – Немецкий институт по стандартизации
Е/Е/РЕ система – Электрическая/Электронная/Электронная про- граммируемая система
ERP – Enterprise Resource Planning – система планирования ресур-
сов предприятия
FBD – Function Block Diagram – язык функциональных блоковых диаграмм
FIFO – First In First Out – Первый Вошел Первый Вышел
HOLAP – гибридный (hybrid) OLAP
IL – Instruction List – список инструкций (язык программирования ПЛК)
LD – Ladder Diagram – язык релейных диаграмм, то же, что и РКС
MES – Manufacturing Execution System – система управления производством
MOLAP – многомерный (multivariate) OLAP
OLAP – Online Analytical Processing – аналитическая обработка в реальном времени
OLE – Object Linking and Embedding – технология связывания и внедрения объектов в другие документы и объекты, разработанная корпорацией Microsoft
OPC – OLE for Process Control – семейство программных техноло- гий, обеспечивающих унифицированный интерфейс для управления объектами автоматизации и технологическими процессами
PMBOK – Project Management Body of Knowledge – Свод знаний по управлению проектами
PMI – Project Management Institute – Институт управления проектами ROLAP – реляционный (relational) OLAP
SCADA – Supervisory Control And Data Acquisition – система сбо-
ра, хранения, обработки и отображения данных
SFC – Sequential Function Chart – язык последовательностных функциональных диаграмм
SIL – Safety Integrity Level – уровень интегральной безопасности ST – Structured Text – структурированный текст (язык программи-
рования ПЛК)
TQM – Total Quality Management – тотальный менеджмент качества TÜV – Technisher Überwashungsvereign – Общество технического
надзора (Германия)
5
1.ОБЩИЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ
ОПРОЕКТИРОВАНИИ
1.1. Основные понятия
Под проектом понимается временное предприятие, предназна- ченное для создания уникальных продуктов, услуг или результа- тов [1.1]. Термин «проект» происходит от латинского слова projectus, что в переводе означает «брошенный вперед». Проект имеет ограни- чения по ресурсам и срокам, а также характеризуется требованиями к качеству и допустимому уровню риска.
Проект следует отличать от операционной деятельности. Опера- ционная деятельность является постоянной, на выходе она дает оди- наковые продукты, услуги, результаты. Основное отличие ее от про- екта – рутинность, отсутствие уникальности.
У всякого проекта есть заинтересованные лица (англ. Project Stakeholders), которые участвуют в проекте, являются его заказчика- ми или интересы которых с положительной или отрицательной сто- роны затрагиваются проектом.
Под термином «жизненный цикл» (ЖЦ) понимается комплекс эта- пов развития и процессов как в живой природе, так и в технических системах и продуктах производства, начиная от моментов зарожде- ния или осознания потребности их создания и заканчивая прекраще- нием функционирования или применения и утилизацией.
Жизненный цикл проекта в представлении методологии про- ектного бизнеса – это последовательность фаз проекта, задаваемая исходя из потребностей управления проектом. В стандарте PMBOK – 2008 [1.1] выделено четыре фазы ЖЦ проекта – начало проекта, ор- ганизация и подготовка, выполнение работ, завершение (рис. 1.1). Между этими фазами обычно не прослеживается четкого раздела. Стоимость работ и вовлечение персонала на начальном этапе отно- сительно невелики, они выходят на максимальные значения в ходе выполнения работ, затем падают на этапе завершения проекта.
Возможность влияния заинтересованных сторон на содержание и результат проекта максимальны в самом начале, по ходу выполнения проекта они снижаются. Аналогично с течением времени уменьша- ется степень неопределенности, снижаются риски. Возможность влияния и стоимость изменений в зависимости от времени показаны на рис. 1.2. Жизненный цикл проекта следует отличать от жизненно- го цикла продукта.
6
Рис. 1.1. Жизненный цикл проекта
Рис. 1.2. Динамика неопределенности и стоимости изменений в ходе выполнения проекта
Под фазой проекта понимается ряд логически связанных опера- ций проекта, обычно завершающихся достижением одного из основ- ных результатов. Наиболее наглядным является представление про- екта в виде последовательно выполняемых фаз, но в реальности фазы часто перекрываются. Пример однофазного, т.е. состоящего только из одной фазы, проекта приведен на рис. 1.3.
7
Рис. 1.3. Пример однофазного проекта
Декомпозиция проекта на фазы позволяет представить его в виде логически связанных подгрупп, что делает более удобным планирова- ние и контроль. Единого общепринятого способа для определения идеальной структуры проекта не существует, количество фаз, их со- держание, границы между ними определяются командой проекта. В пределах одной организации могут практиковаться правила, стандар- тизирующие ее проекты и определяющие их фазы. Как правило, рабо- ты конкретной фазы имеют свойства, отличающие ее от других фаз.
Завершение фазы, особенно при последовательном их выполне- нии, является естественной точкой для переоценки принимаемых решений, внесения изменений в проект или отказа от него. Эти мо- менты называются выходами фаз, контрольными событиями, воро- тами фаз, воротами решений, воротами этапов, точками критическо- го анализа или точками остановки.
Проект осуществляется в условиях ограничений по срокам, ресур- сам, качеству. Развернутая структура ограничений при проектирова- нии приведена на рис. 1.4.
Более простая и наглядная схема ограничений проекта, известная под названием «тройственная ограниченность», приведена на рис. 1.5. Указанный на ней четвертый параметр – качество – был до- бавлен на схеме позже. Проект ограничен по содержанию, срокам и стоимости. Изменение содержания проекта влечет изменение его стоимости, сокращение сроков сказывается на качестве и содержа- нии. Существует альтернативное представление тройственной огра- ниченности – качество помещают в вершину треугольника вместо содержания и рассматривают связь качества, стоимости и сроков при неизменном содержании.
8
Рис. 1.4. Ограничения при проектировании
Рис. 1.5. Тройственная ограниченность
Приведем ряд определений, касающихся систем и их свойств. Система – это совокупность (множество) объектов и процессов,
называемых элементами, взаимосвязанных и взаимодействующих между собой, они образуют единое целое, обладающее свойствами, не присущими составляющим его элементам, взятым в отдельности. Важнейшим свойством систем является эмерджентность.
Эмерджентность (англ. emergence – возникновение, появление нового) – наличие у системы особых свойств, не присущих ее под- системам и блокам, а также сумме элементов, не связанных особыми
9
системообразующими связями; несводимость свойств системы к сумме свойств ее компонентов; синоним – «системный эффект».
Система управления (СУ) – систематизированный набор средств влияния на подконтрольный объект для достижения определенных целей данным объектом. Объектом системы управления могут быть как технические объекты, так и люди. Объект системы управления может состоять из других объектов, которые могут иметь постоян- ную структуру взаимосвязей.
Существует иное определение СУ. Система управления – сово- купность объекта управления и управляющей системы, действие ко- торой направлено на улучшение или поддержание работы объекта управления.
Управляющая система – комплекс средств сбора, обработки, пе- редачи информации и формирования управляющих сигналов или ко- манд.
Следует различать автоматические и автоматизированные системы.
Автоматическая система управления – получение, преобразо-
вание и передача информации, формирование управления и его реа- лизация происходит без участия человека.
Автоматизированная система управления – получение, преоб-
разование и передача информации, формирование управления и его реализация происходит частично с участием человека (оператора).
Устойчивость – свойство системы возвращаться в исходное или близкое к нему установившееся состояние после прекращения дейст- вия возмущения, которое вывело ее из этого состояния.
Надежность – свойство системы, обеспечивающее выполнение заданных функций, сохраняя во времени значения установленных эксплуатационных показателей в заданных пределах.
Стабильность – свойство системы сохранять в неизменности свои характеристики в процессе эксплуатации.
Показателями совершенства системы являются, наряду с приве- денными выше, энергопотребление и массогабаритные характери- стики.
1.2. Взаимодействие с Заказчиком
Взаимодействие с Заказчиком является необходимой частью ра- боты над любым проектом, в том числе над проектом в области ав- томатизации. Оно начинается с установления первых контактов, ох- ватывает определение требований к создаваемой системе, предкон-
10