БАРАШКО О.Г.- ПСА-_лекции_-v.1

ПАНОРАМА КУРСА

Цель проектирования систем автоматизации – на основе исход-

ной информации и дополнительной, получаемой в процессе проектирования, разработать проектную документацию, которая представляется на бумажных и/или электронных носителях в следующих формах:

графической – схемы, графики, чертежи и т. п.;

текстовой – пояснительная записка, спецификации, сметы и т. п.

Панорама основных проектных документов по созданию систем автоматизации представлена на рисунке.

Любое проектирование системы автоматизации должно начинать-

ся с построения схемы анализа процесса как объекта управления (1)

состоящую из двух тесно взаимосвязанных между собой схем: схемы материальных потоков и их информационных переменных (1.1.) и структурной схемы САУ (1.2).

Проведенный анализ процесса как объекта управления позволяет аргументировано построить базовый проектный чертеж – функцио-

нальную схему автоматизации (2) , которая является основой для проектирования остальных схем:

–принципиальной электрической схемы (3);

–схем щитов и пультов (4);

–схемы внешних проводок (5);

–мнемосхема SCADA-системы (6).

Для более полного усвоения курса в приложении приведен сквозной пример разработки проектной документации САУ процессом перегруппировки циклогексаноноксима I потока в производстве капролактама.

Рис. Панорама основных проектных документов по созданию систем автоматизации

1. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ СИСТЕМ АВТОМАТИЗАЦИИ

1.1. Процесс проектирования систем автоматизации: общие принципы

Понятие термина «проектирование» Цели проектирования систем автоматизации

Характер проектирования (эволюционность, итеративность, иерархичность)

Созданию систем автоматизации предшествует проектирование, означающее описание системы, которая должна быть создана.

Цели проектирования систем автоматизации – на основе исход-

ной информации и дополнительной, получаемой в процессе проектирования, разработать проектную документацию, которая должна обеспечить:

а) решение задач автоматизации на современном техническом уровне;

б) компоновку средств автоматизации, электроаппаратуры, материалов;

в) сокращение сроков и снижение стоимости производства монтажных работ.

Характер проектирования

1. Процесс проектирования систем автоматизации эволюционен. Происходит постепенный переход от поставленной проблемы в виде задания к созданию технической и программной документации реальной системы и описанию ее физических возможностей.

Рис.1. Эволюционная схема проектирования системы. Охватывает основные этапы формулирования задачи: цель проектирования, научно-исследовательские работы (НИР), эскизное проектирование (ЭП), техническое проектирование (ТП).

Общим для этапов предварительного проектирования является то, что каждый из них включает в себя проведение 4-х процедур (рис. 2): синтез, создание абстрактной (математической) модели, анализ, принятие решения.

Рис. 2

При переходе от этапа к этапу происходит уточнение и углубление знаний о проектируемой системе, и, как следствие, приближение системы к заданным в ТЗ характеристикам.

Синтез охватывает конкретизацию задачи и технических решений, формулирование принципов. Абстрактные модели строятся в среде как математической так и графической. Анализ включает в себя проведение экспериментальных исследований (испытаний) и их оценку. Принятие решений связано с поиском компромиссных решений.

2. Процесс проектирования систем автоматизации итеративен. При этом на каждом шаге итерации разработчик системы пытается найти более совершенное решение. На первых этапах исходные предпосылки еще не достаточно четко определены, поэтому используются приближенные методы расчета и испытаний. При расчетах в первом приближении, когда только выявится чувствительность переменных проектируемой системы к определенным параметрам, можно пренеб-

речь второстепенными факторами. Позднее, когда будут изучены главные факторы, в анализ следует включать и второстепенные, ранее не учтенные факторы, чтобы обеспечить получение наиболее удовлетворительных результатов.

Проектирование, по существу, представляет собой процесс управления с обратной связью (рис. 3). Техническое задание формирует входы или уставки, которые сравниваются с результатами проектирования и, если они не совпадают, цикл проектирования повторяется до тех пор, пока ошибка (отклонение от заданных требований к проекту ) не окажется в допустимых пределах. При этом корректируются выбранные принципы, структуры, технические средства, алгоритмы, программные методы и средства построения моделей, а также методы анализа (испытаний).

Рис. 3.

1. Процесс проектирования систем автоматизации иерархичен. Его можно представить в виде иерархии решений на основе древовидной структуры (рис. 4).

Рис 4.

Принятие того или иного варианта требует решения соответствующих подпроблем. Иногда можно получить приемлемые решения для всех подпроблем, но в этом случае должен быть выбран вариант, который наилучшим образом удовлетворяет цели проектирования. Выбор вариантов является творческим и трудно формализуемым процессом, но по мере продвижения вниз по дереву сложность формализации уменьшается и реализация ее решения упрощается.

2. Процесс проектирования систем автоматизации коллекти-

вен.

В проекте может участвовать достаточно большое количество людей, при этом очень важно, чтобы их действия были четко скоординированы.

...

Техническое

задание

Проектирование

Вывод: проектирование – «строительство будущего»; цель проектирования – решение задач автоматизации на со-

временном уровне с оптимальной компоновкой средств автоматизации в короткие сроки с минимальной стоимостью монтажных работ;

характер проектирования:

1.эволюционен (последовательный переход от синтеза к решению задачи с уточнением и углублением знаний о проектируемой системе);

2.итеративен (совершенствование исполнения задачи в процессе проектирования);

3.иерархичен (набор возможных решений с продолжением оптимального); коллективен (четкая координация совместных действий и решений

проектировщиков)

1.2. Организация проектных работ систем автоматизации

Состав, форма представления и участники Преемственность при проектировании

Состав. Проект промышленного предприятия состоит из следующих частей:

–технико-экономической;

–технологической;

–строительной;

–энергоснабжения;

–автоматизации;

–сантехнической;

–сметной документации.

Этот перечень проектная организация может уточнять в зависимости от характера проектируемого объекта. Проект автоматизации является частью проекта, в которой дается документация по оснащению средствами автоматизации.

Форма представления. Документация, входящая в состав проекта, представляется на бумажных и/или электронных носителях в следующих форме:

а) графической – схемы, графики, чертежи и т. п.;

б) текстовой – пояснительная записка, спецификации, сметы и т.

п.

Участники. В разработке проекта может принимать участие ряд проектных организаций.

Головной проектный институт – ведущая проектная организация, осуществляющая единую техническую политику в соответствующей отрасли промышленности.

Генеральный проектировщик – обычно отраслевой проектный институт, выполняющий, как правило, технологическую часть проекта и по усмотрению передающий для выполнения на договорных началах специализированным проектным организациям отдельные части проекта. Им осуществляется координация всего проекта. Он несет ответственность за техническую и экономическую целесообразность проекта, увязку его отдельных частей, правильность определения сметной стоимости и соблюдения сроков проектирования.

Субподрядная проектная организация – выполняет специализированные проектные работы на договорных началах с генеральным проектировщиком.

Специализированная проектная организация – выполняет проектирование определенной части проекта (автоматизации, сантехники, электроснабжения и т. д.) и несет ответственность за ее качество, сроки выполнения и т. п.

Проект автоматизации может разрабатываться как отраслевым проектным институтом (генеральным проектировщиком), в составе которого имеется отдел или группа автоматизации, так и специализированными проектными организациями, работающими в области автоматизации.

Монтаж

Схема организации проектных работ:

1.3. Автоматизированные системы поддержки жизненного цикла промышленной системы

Типичный жизненный цикл промышленной системы включает ряд этапов, начиная от зарождения идеи новой системы до утилизации по окончании срока ее использования. Основные этапы жизненного цикла промышленной системы (рис. 1.): проектирование, подготовка производства (монтаж и наладка), производство, эксплуатация (сопровождение), поставка и реализация продукции, утилизация.

MES

MRP-2

ERP

Рис. 1. Этапы жизненного цикла промышленных систем и используемые АСУ

На всех этапах жизненного цикла имеются свои целевые установки. Их достижение оказывается невозможным без поддержки авто-

матизированными системами (АС). Специфика задач, решаемых на различных этапах жизненного цикла промышленной системы, обусловило разнообразие применяемых АС. Основные типы АС с их привязкой к этапам жизненного цикла системы приведены на рис. 1.

Проектирование. Можно выделить следующие системы автоматизированного проектирования (САПР):

функционального проектирования – системы расчетов и инженерного анализа или системами САЕ (Computer Aided Engineering);

конструкторского проектирования – системами CAD (Computer Aided Design);

технологического проектирования – составляет часть технологической подготовки производства и выполняется в системах

САМ (Computer Aided Manufacturing).

Функции координации работы систем CAE/CAD/CAM, управления проектными данными и проектированием возложены на систему управления проектными данными PDM (Product Data Management).

Уже на стадии проектирования требуются услуги системы управ-

ления цепочками поставок (SCM – Supply Chain Management), иногда называемой системой Component Supplier Management (CSM). На эта-

пе производства эта система управляет поставками необходимых материалов и комплектующих.

Подготовка производства.

Производство. Информационная поддержка этапа производства продукции осуществляется автоматизированными системами управления предприятием (АСУП) и автоматизированными системами управления технологическими процессами (АСУТП).

КАСУП относятся системы:

планирования и управления предприятием ERP (Enterprise Resource Planning). Выполняют различные бизнес-функции, связанные с планированием производства, закупками, сбытом продукции, анализом перспектив маркетинга, управлением финансами, персоналом, складским хозяйством, учетом основных фондов и т. п.

планирования производства и требований к материалам MRP-2 (Manufacturing Requirement Planning). Ориентированы, главным образом, на бизнес-функции, непосредственно связанные с про-

изводством; Реализация продукции. На этапе реализации продукции выполня-

ются функции управления отношениями с заказчиками и покупателями, проводится анализ рыночной ситуации, определяются перспективы спроса на планируемые ёизделия. Эти функции осуществляет система CRM. Маркетинговые задачи иногда возлагаются на систему

S&SM (Sales and Service Management), которая, кроме того, использу-

ется для решения проблем обслуживания изделий.

системы управления взаимоотношениями с заказчиками CRM (Customer Requirement Management);

а также управления цепочками поставок SCM.

АСУТП контролируют и используют данные, характеризующие состояние технологического оборудования и протекание технологических процессов. Именно их чаще всего называют системами промышленной автоматизации.

К АСУТП относятся:

непосредственное программное управление технологическим процессом CNC (Computer Numerical Control) на базе специали-

зированных компьютеров – промышленных контроллеров

(PLC);

сбор и обработка данных о состоянии оборудования и техноло-

гических процессов SCADA (Supervisory Control and Data Acquisition) – выполняет диспетчерские функции;

производственная исполнительная система MES (Manufacturing Execution Systems) – ориентирована на решение оперативных задач управления проектированием, производством и маркетингом.

Эксплуатация. Включает автоматизированные системы, занятые вопросами ремонта, контроля, диагностики эксплуатируемых систем.

Уровень координации-интеграции. В последнее время усилия многих компаний, производящих программно-аппаратные средства АСУ, направлены на создание систем электронного бизнеса (E- Commerce). Задачи, решаемые системами E-Commerce, сводятся не только к организации на сайтах Internet витрин товаров и услуг. Они объединяют в едином информационном пространстве запросы заказчиков и данные о возможностях множества организаций, специализирующихся на предоставлении различных услуг и выполнении тех или иных процедур и операций по проектированию, изготовлению, поставкам заказанных изделий. Такие системы E-Commerce называют системами управления данными в интегрированном информационном пространстве СРС (Collaborative Product Commerce) или PLM (Product Lifecycle Management).