Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Проектирование автоматизированных систем управления технологическими процессами. Учебное пособие.pdf
Министерство образования и науки России
Федеральное государственное бюджетное
образовательное учреждение высшего образования
«Казанский национальный исследовательский
технологический университет»
А. В. Герасимов
ПРОЕКТИРОВАНИЕ
АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ СИСТЕМ
УПРАВЛЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ
ПРОЦЕССАМИ
Учебное пособие
Казань
Издательство КНИТУ
2016
- 1 -
УДК 66.048.3: 66.012-54
Рецензенты:
проф. К. Х. Гильфанов
проф. Г. И. Захватов
ISBN 978-5-7882-1987-5
©
Герасимов А. В., 2016
©
Казанский национальный исследовательский
технологический университет, 2016
ББК 32.965
Герасимов А.В.
Проектирование автоматизированных систем управления техно-
логическими процессами : учебное пособие / А. В. Герасимов;
М-во образ. и науки России, Казан. нац. исслед. технол. ун-т. – Казань :
Изд-во КНИТУ, 2016. – 123 с.
ISBN 978-5-7882-1987-5
Пособие составлено на основе курсов лекций «Проектирование
автоматизированных систем», «Проектирование автоматизированных
систем обработки информации и управления» и «Интегрированные
системы проектирования и управления», много лет читаемых автором
на кафедре интеллектуальных систем управления информационными
ресурсами для студентов факультета управления и автоматизации Казанского национального исследовательского технологического университета.
Предназначено для подготовки бакалавров и магистров по направлениям 27.03.04 «Информатика и вычислительная техника» и
27.04.04 «Управление в технических системах».
Подготовлено на кафедре интеллектуальных систем и управления информационными ресурсами.
Печатается по решению редакционно-издательского совета
Казанского национального исследовательского технологического
университета
- 2 -
ВВЕДЕНИЕ
В настоящее время автоматизация производственных процессов
переходит на качественно новый уровень, характеризуемый широким
применением вычислительных машин в системах управления производством. Наибольший эффект дает применение современных систем
автоматизации, относящихся к классу автоматизированных систем
управления технологическими процессами.
Эффективная работа систем автоматизации технологических
процессов во многом зависит от правильности применяемых проектных решений, качества проектно-сметной документации, ее содержания, состава и оформления. Поэтому будущему инженеру по автоматизации необходимо знать все требования, предъявляемые к проектносметной документации.
Пособие составлено на основе курсов лекций «Проектирование
автоматизированных систем», «Проектирование автоматизированных
систем обработки информации и управления» и «Интегрированные
системы проектирования и управления» много лет читаемых автором
на кафедре интеллектуальных систем управления информационными
ресурсами факультета нанотехнологий и наноматериалов Казанского
национального исследовательского технологического университета.
Представленный в пособии материал предназначен для подготовки бакалавров и магистров по направлениям 230100 «Информатика
и вычислительная техника» и 220400 «Управление в технических системах».
В пособии приводятся рекомендации по разработке архитектуры, структуры и технической документации автоматизированной системы управления, программного, информационного и технического
обеспечения, а также по проектированию алгоритмов управления на
уровне автоматизации производства.
Целью настоящего пособия является ознакомление студентов с
составом, содержанием и оформлением проектной документации по
автоматизации химико-технологических процессов.
В работе использованы данные ГОСТ, ОСТ, руководящие и
нормативные материалы.
- 3 -
1. СОСТАВ И СТРУКТУРА АСУТП
1.1. Понятие АСУТП. Назначение и цели создания АСУТП
Терминология в АСУТП весьма обширна. Термины АСТУП
появились, изменялись и дополнялись одновременно с появлением и
развитием автоматизированных систем управления технологическими
процессами (АСУТП) и автоматизированных систем (АС) в целом.
Почти три десятилетия термины АСУТП и их определения
включались в состав различных нормативно-технических документов:
ГОСТ, ГОСТР, ОРММ, РД.
Автоматизированная система управления технологическим
процессом (АСУТП) – организационно-техническая система, обеспе-
чивающая:
- выработку решений на основе автоматизации информацион-
ных процессов;
- реализацию управляющих воздействий на технологический
объект управления (ТОУ).
Технологический объект управления (ТОУ) – объект управ-
ления, включающий технологическое оборудование и реализуемый в
нем технологический процесс по соответствующим инструкциям или
регламентам (ГОСТ34.003-90,п.7.1).
К технологическим объектам управления относятся:
- технологические агрегаты и установки, реализующие само-
стоятельный технологический процесс (паровой котел, прокатный станок, бумагоделательная машина и т.д.);
- отдельные производства (блоки, цехи, участки), которые
управляются путем реализации рациональных режимов работы взаимосвязанного технологического оборудования (участки, агрегаты).
Совокупность совместно функционирующих ТОУ и управляющей им АСУТП представляет собой автоматизированный техноло-
гический комплекс (АТК).
Технологический процесс производства – это комплекс дей-
ствий по изменению и последующему определению состояния предмета производства (ГОСТР12.3.047-98,): изменению подвергаются местоположение, состояние, свойство, форма сырья, материала или полуфабриката, применяемых в процессе производства готовой продукции.
- 4 -
Технология – как наука о способах воздействия на сырье, ма-
териалы и полуфабрикаты соответствующими орудиями производства.
Технология разрабатывается и совершенствуется по различным отраслям и изделиям производства:
• пищевая промышленность;
• пивоварение;
• производство:
- минеральных удобрений;
- бумаги;
- приборов;
- компьютеров;
- очищенной воды, пара, стали, цветных металлов и т.д. и т.п.
Количество технологических процессов практически неограниченно. Имеется, однако, фактор, который присутствует во всех технологических процессах. Таким фактором любого технологического
процесса является фактор времени, а именно характер протекания технологического процесса во времени.
Различают основные виды характера протекания процесса во
времени:
- непрерывный (с длительным поддержанием режимов, близких
к установившимся, и практически безостановочной подачей сырья и
реагентов);
- полунепрерывный (непрерывный, с существенными для
управления переходными режимами, вызванными добавками (заменами) сырья или реагентов либо выдачей продукции);
- непрерывно-дискретный I (сочетающий непрерывные и пре-
рывистые режимы на различных стадиях процесса);
- непрерывно-дискретный II (сочетающий непрерывный и пре-
рывистые режимы с малой длительностью непрерывных режимов в
аварийных условиях);
- циклический (прерывистый, с существенной для управления
длительностью интервалов непрерывного функционирования и циклическим следованием интервалов с различными режимами);
- дискретный (прерывистый, с малой, несущественной для
управления длительностью непрерывных технологических операций).
Фактором отличия технологических процессов друг от друга
является количество технологических операций, которые составляют
данный процесс.
- 5 -
Технологическая операция:
-законченная часть технологического процесса производства,
направленная на получение какого-либо промежуточного результата
производства и характеризующаяся неизменностью;
- применяемых технологических аппаратов и установок, техно-
логических трубопроводов и запорной арматуры;
- процесса производственных действий и/или наблюдения со
стороны обслуживающего оперативного персонала.
Функционирование каждой технологической операции требует
реализации собственного алгоритма действий, контроля, блокировок и
управления.
Пример пояснения термина – слив нефтепродукта из цистерн
железнодорожной эстакады в два резервуара для хранения нефтепродуктов. Локомотив подает группу цистерн с нефтепродуктом одного
сорта на железнодорожную эстакаду. Следует открытие верхних люков, подключение нижних сливных устройств к сливным приборам
цистерн, взятие проб нефтепродуктов из цистерн, открытие конусов
сливных приборов, заполнение продуктопровода и насоса слива продукта, подготовка маршрута слива продукта в резервуар А (открытие
запорной арматуры по маршруту и закрытие арматуры, предотвращающей смещение или утечку продукта в маршруте), запуск насоса
слива, перекачка нефтепродукта из цистерн в резервуар А до заполнения его до определенного уровня, разборка маршрута перекачки или
переключение части маршрута для заполнения резервуара Б.
Технологический процесс слива нефтепродукта из вагоноцистерн в резервуар А включает несколько технологических операций:
- подача цистерн на железнодорожную эстакаду;
- подготовка цистерн и устройств слива к операции слива;
- подготовка маршрута перекачки продукта в резервуар А;
- заполнение продуктопровода и насоса продуктом;
- запуск насоса слива продукта;
- перекачка продукта из цистерн в резервуар А;
- контроль уровня заполнения резервуара А;
- отключение маршрута перекачки нефтепродукта.
В этом примере не рассмотрено проведение учетных операций
при сливе и приеме нефтепродуктов в резервуар.
- 6 -
АСУТП предназначена:
- для целевого применения как законченное изделие под опре-
деленный объект автоматизации;
- стабилизации заданных режимов технологического процесса
путем измерения значений технологических параметров, их обработки,
визуального представления, и выдачи управляющих воздействий в режиме реального времени на исполнительные механизмы, как в автоматическом режиме, так и в результате действий технолога - оператора;
- анализ состояния технологического процесса, выявление предаварийных ситуаций и предотвращение аварий путем переключения
технологических узлов в безопасное состояние, как в автоматическом
режиме, так и по инициативе оперативного персонала;
Обеспечения административно-технического персонал завода
не обходимой информацией с технологического процесса для решения
задач контроля, учета, анализа, планирования и управления производственной деятельностью.
Целями создания АСУТП являются:
- обеспечение надежной и безаварийной работы производства;
- стабилизация эксплуатационных показателей технологическо-
го оборудования и режимных параметров технологического процесса;
- увеличение выхода товарной продукции;
- уменьшение материальных и энергетических затрат;
- снижение непроизводительных потерь человеческих, матери-
ально-технических и топливно-энергетических ресурсов, сокращение
эксплуатационных расходов;
- выбор рациональных технологических режимов с учетом по-
казаний промышленных анализаторов, установленных на потоках, и
оперативной корректировки стратегии управления по данным лабораторных анализов;
- улучшение качественных показателей конечной продукции;
- предотвращение аварийных ситуаций;
- автоматическая и автоматизированная диагностика оборудо-
вания АСУТП.
1.2. Стадии и этапы создания АСУТП
Согласно ГОСТ 34.601-90 «Автоматизированные Системы.
Стадии создания», процесс создания АСУТП представляет собой совокупность упорядоченных во времени, взаимосвязанных, объединенных
в стадии этапы работ, выполнение которых необходимо и достаточно
для создания системы, соответствующей заданным требованиям.
- 7 -
Стадии и этапы создания АСУТП выделяются как части процесса создания по соображениям рационального планирования и организации работ, заканчивающихся заданным результатом ГОСТ
34.601-90 рекомендует нижеследующую последовательность стадий и
этапов работ по созданию АСУТП.
Стадия «Формирование требований к АСУТП» включает в
себя выполнение следующих этапов:
- обследование объекта и обоснование необходимости создания
АСУТП;
- формирование требований заказчика к АСУТП;
- оформление отчета о выполненной работе, и заявки на разра-
ботку АСУТП.
На этапе «Обследование объекта и обоснование необходимости
создания АСУТП» в общем случае проводится:
- сбор данных об объекте автоматизации;
- оценка качества функционирования объекта автоматизации;
- выявление проблем, решение которых возможно средствами
автоматизации;
- оценка технико-экономической целесообразности создания
АСУТП.
На этапе «Формирование требований заказчика к АСУТП»
проводится:
- подготовка исходных данных для формирования требований к
АСУТП (характеристика объекта автоматизации, описание требований
к системе, допустимые затраты на разработку, ввод в действие и эксплуатацию, эффект, ожидаемый от системы, условия создания и функционирования системы);
- формулирование и оформление требований заказчика к
АСУТП.
На этапе «Оформление отчета о выполненной работе и заявки
на разработку АСУТП» производится:
- оформление отчета о выполненных работах на данной стадии;
- оформление заявки на разработку АСУТП (тактикотехнического задания) или другого заменяющего его документа с аналогичным содержанием.
- 8 -
Стадия «Разработка концепции АСУТП» заключается в вы-
полнении следующих этапов:
- изучение объекта автоматизации;
- проведение необходимых научно-исследовательских работ;
- разработка вариантов концепции АСУТ П и выбор варианта
концепции АСУТП в соответствии с требованиями заказчика.
По завершению стадии оформляется отчет. На этапе «Изучение
объекта автоматизации» и на этапе «Проведение необходимых научноисследовательских работ» организация-разработчик проводит:
- детальное изучение объекта автоматизации необходимые научно- исследовательские работы, связанные с поиском путей и оценкой возможности реализации требований заказчика;
- оформление и утверждение отчетов.
На этапе «Разработка вариантов концепции АСУТП и выбор
варианта концепции АСУТП в соответствии с требованиями заказчика» в общем случае проводится:
- разработка альтернативных вариантов концепции АСУТП и
плановых реализаций;
- оценка необходимых ресурсов на их реализацию и функционирование;
- оценка преимуществ и недостатков каждого варианта;
- сопоставление требований заказчика и характеристик предла-
гаемой системы, и выбор наилучшего варианта;
- определение порядка оценки качества и условий приемки сис-
темы;
- оценка эффектов, получаемых от системы.
Стадия «Техническое задание» заключается в единственном,
но чрезвычайно ответственном этапе:
Разработка и утверждение технического задания на создание
АСУТП.
На этапе «Разработка и утверждение технического задания на
создание АСУТП» проводится:
Разработка, оформление, согласование и утверждение техниче-
ского задания на создание АСУТП, а при необходимости, нескольких
технических заданий на части АСУТП.
Стадия «Эскизный проект» состоит из следующих этапов:
- разработка предварительных проектных решений по системе
и ее частям;
- разработка документации на АСУТП и ее части.
- 9 -
На этапе «Разработка предварительных проектных решений по
системе и ее частям» определяются:
- функции АСУТП;
- функции цели подсистем;
- состав программных комплексов и отдельных задач;
- концепция информационной базы, ее укрупненная структура;
- функции системы управления;
- состав комплекса технических средств;
- функции и параметры основных программных средств и ре-
сурсов АСУТП.
На этапе «Разработка документации на АСУТП и ее части»
проводится:
Разработка, оформление, согласование и утверждение документации в объеме, необходимом для описания полной совокупности
принятых проектных решений, и достаточном для выполнения работ
по созданию АСУТП.
Стадия «Технический проект» состоит из следующих этапов:
- разработка проектных решений по системе и ее частям;
- разработка документации на АСУТП и ее части;
- разработка и оформление документации на поставку изделий
для комплектования АСУТП и технических требований (технических
заданий) на их разработку;
- разработка заданий на проектирование в смежных частях про-
екта.
На этапе «Разработка проектных решений по системе и ее частям» производится разработка общих решений:
- по системе и ее частям;
- по функционально-алгоритмической структуре системы;
- по функциям персонала и организационной структуре;
- по структуре технических средств;
- по алгоритмам решения задач и применяемым языкам;
- по организации ведению информационной базы;
- по системе классификации и кодирования информации;
- по программному обеспечению.
На этапе «Разработка документации на АСУТП и ее части»
проводится:
Разработка, оформление, согласование и утверждение документации в объеме, необходимом для описания полной совокупности
- 10 -